Test της QCD σε επιταχυντές Χατζηνικολάου Γεώργιος Στοιχειώδη σωματίδια ΙΙ ΑΠΘ Τμήμα Φυσικής 29/5/2010 1

Τι θα δούμε Tests της QCD σε πειράματα e + e - → αδρόνια που έγιναν στο LEP (ALEPH,DELPHI,L3 και OPAL) QCD στη περιοχή των μεγάλων ενεργειών(large momentum transfers) όπου βασικό εργαλείο για υπολογισμούς είναι η θεωρία των διαταραχών (pertubative QCD) Μέτρηση της σταθεράς σύζευξης μέσω αδρονικών πιδάκων 29/5/20102

Βασικά ποιοτικά χαρακτηριστικά της QCD Ασυμπτωτική ελευθερία (Asymptotic freedom): Στις πολύ μεγάλες ενέργειες (μεγάλη μεταφορά ορμής) τα κουάρκ αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς και συμπεριφέρονται σχεδόν σαν ελεύθερα σωματίδια. Εγκλωβισμός χρώματος (colour confinement). Η δύναμη μεταξύ των κουάρκ δεν εξασθενεί καθώς απομακρύνονται αλλά δείχνει να απειρίζεται. Είναι ο λόγος που δεν έχουμε παρατηρήσει μέχρι τώρα ελεύθερα κουάρκ. 29/5/20103

4

Πως μπορεί η απλή εικόνα των παρτονίων (με σχεδόν καθόλου αλληλεπιδρώντα παρτόνια) να περιγράφεται από τη QCD (μία ισχυρά αλληλεπιδρούσα κβαντική θεωρία πεδίου); 29/5/20105

Confinement Ισχυρή αλληλεπίδραση (μεγάλο α s ) non-pertubative π.χ soft hadronic prossses, Lattice QCD Asymptotic freedom Ασθενή αλληλεπίδραση (μικρό α s ) pertubative QCD 29/5/20106 QCDQCD Η ασυμπτωτική ελευθερία είναι αυτή που μετατρέπει τη QCD σε μία υπολογίσιμη θεωρία Φυσική των μεγάλων ενεργειώνΦυσική των μικρών ενεργειών

Ασυμπτωτική ελευθερία: The Running Strong Coupling Constant, α s α s (μ) → 0 όταν μ → ∞ Μόνο στην περιοχή υψηλών ενεργειών (α s είναι πολύ μικρό) μπορεί να γίνουν δοκιμές ακριβείας εφαρμόζοντας θεωρία διαταραχών. 29/5/20107

Πως μελετάμε τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις Οι επιταχυντές είναι τα εργαστήρια της QCD… ( αλλά και τα καλύτερα “μικροσκόπια” του κόσμου) Εκτεταμένη πηγή πληροφοριών για την αδρονική δομή Τα γλουόνια παίζουν συχνά βασικό ρόλο Βασικά πειράματα επιταχυντών : εξαΰλωση e + e - σε αδρόνια βαθειά ανελαστική σκέδαση 29/5/20108 DELPHI

Πλεονεκτήματα της e + e - → hadrons: Οι πειραματικές συνθήκες θεωρούνται σχετικά “καθαρές” ξέρουμε ακριβώς σε τι ενέργεια γίνεται η σύγκρουση και έτσι βλέπουμε καλύτερα την ενεργειακή εξάρτηση της σταθεράς σύζευξης 29/5/20109

QCD και παραγωγή αδρονίων Βασικές προβλέψεις της QCD που μπορούν να μελετηθούν με e + e - → hadrons Ακτινοβολία γλουονίων από κουάρκς Παραγωγή ζεύγους κουάρκ-αντι-κουάρκ Triple gluon vertex 29/5/201010

e + e - → αδρόνια Η εξαΰλωση μπορεί να θεωρηθεί ότι γίνεται σε δύο στάδια: Ας δούμε πως οδηγηθήκαμε στην πειραματική απόδειξη του χρώματος… 29/5/ confinement ηλεκτρομαγνητική ισχυρή

Μέτρηση του R πειραματική επιβεβαίωση του χρώματος Μία πρόβλεψη του μοντέλου του παρτονίου είναι: 29/5/ RGBRGB 3colours

R σαν συνάρτηση της Ε cm 29/5/201013

29/5/ Η τιμή του R αν θεωρήσουμε την συνεισφορά από 3 jet events. Επιτυχία της QCD

2 Jet events Τα εκπέμπονται σε αντίθετες κατευθύνσεις (διατήρηση της ορμής) Fragmentation Τα jet έχουν την ίδια κατεύθυνση με τα αρχικά κουάρκ. 29/5/ Μέτρηση του σπιν του παρτονίου με χρήση της γωνιακής κατανομής Τα jet συμπεριφέρονται σαν να προήλθαν από σωματίδια με spin ½.

29/5/ Τα jet συμπεριφέρονται σαν να προήλθαν από σωματίδια με spin ½.

Δοκιμές της QCD με e + e - → hadrons 29/5/ Πειραματικη ανακάλυψη του γλουονίου Ανακάλυψη των 3-jet event από το πείραμα TASSO (PETRA) το 1977 τα 3-jet evets ερμηνεύονται ως ζεύγος κουάρκ- αντι-κουάρκ με ένα επιπλέον γκλουόνιο σ 3 ≈ α s ∙ σ 2

Ποσοτικοποιώντας την αδρονική δομή(jet structure) έχουμε άμεση σύγκριση των πειραματικών δεδομένων με τις προβλέψεις τις θεωρίας της QCD 29/5/ τέστ της θεωρίας άρα

Jets and event shapes Γιατί μας ενδιαφέρουν τα jet rates και shape observables; Ποσοτικοποίηση των jet structures: Jet αλγόριθμους Event shape observables Τι προσπαθούμε να κάνουμε με τους jet αλγόριθμους; να δεις σε ποίο jet ανήκουν τα αδρόνια τις τελικής κατάστασης 29/5/201019

Μετρήσεις του α s fragmentation functions event shapes jet productions rates τ lepton decay properties 29/5/201020

Many quite different experiments, performed at different energies, have been successfully analyzed by using QCD. Wilczek F PNAS 2005;102: ©2005 by National Academy of Sciences

Μέτρηση του α s Τιμή του α s Από το LEP με QCD υπολογισμούς έδωσαν μία μέση τιμή: Από το πείραμα JADE με μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν στο LEP: 29/5/201022

Βιβλιογραφία και πηγές Francis Halzen and Alan D. Martin, Quarks and leptons: An Introductory Course in Modern Physics David Griffiths, Introduction to Elementary Particles Stefan Kluth (Max Plank Insitut fur Physik), Test of Quantum Chromo Dynamics at e + e - Colliders /5/201023