Proces Drella-Yana

Proces Drella-Yana: kwark z jednego hadronu i antykwark z innego hadronu anihilują, tworząc parę leptonów poprzez wymianę wirtualnego fotonu.

Drell -Yan zachodzi w wysokoenergetycznym rozpraszaniu hadron -hadron. Ma to miejsce, gdy kwark jednego hadronu i antykwark innego hadronu anihilują, tworząc wirtualny foton lub bozon Z , który następnie rozpada się na parę przeciwnie naładowanych leptonów . Co ważne, energię zderzającej się pary kwark-antykwark można niemal w całości przekształcić w masę nowych cząstek. Proces ten został po raz pierwszy zaproponowany przez Sidneya Drella i Tung-Mow Yana w 1970 roku w celu opisania produkcji par lepton – antylepton w zderzeniach hadronów o wysokiej energii. Eksperymentalnie proces ten został po raz pierwszy zaobserwowany przez JH Christenson i in. w zderzeniach proton-uran w synchrotronie z naprzemiennym gradientem .

Przegląd

Proces Drell-Yan jest badany zarówno w eksperymentach ze stałym celem, jak i zderzaczy. Dostarcza cennych informacji na temat funkcji rozkładu partonów (PDF), które opisują sposób, w jaki pęd nadchodzącego wysokoenergetycznego nukleonu jest dzielony między jego składowe partony. Te pliki PDF są podstawowymi składnikami do obliczania zasadniczo wszystkich procesów zachodzących w zderzaczach hadronów. Chociaż zasadniczo pliki PDF powinny być wyprowadzalne, obecna nieznajomość niektórych aspektów silnej siły uniemożliwia to. Zamiast tego formy plików PDF są wyprowadzane z danych eksperymentalnych.

Proces Drella-Yana i głęboko nieelastyczne rozpraszanie

Pliki PDF są określane na podstawie danych światowych z rozpraszania głęboko nieelastycznego , procesu Drell-Yan itp. Proces Drell-Yan jest ściśle powiązany z głęboko nieelastycznym rozpraszaniem; diagram Feynmana procesu Drella-Yana uzyskuje się, jeśli diagram Feynmana głębokiego rozpraszania nieelastycznego zostanie obrócony o 90 °. Wirtualny foton podobny do czasu lub bozon Z jest wytwarzany w s w procesie Drell-Yan, podczas gdy wirtualny foton lub bozon Z podobny do przestrzeni jest wytwarzany w kanale t w głębokim rozpraszaniu nieelastycznym.

Wrażliwość na asymetrię smaku lekkiego kwarku morskiego w protonie

Naiwnie wierzono, że morze kwarków w protonie zostało utworzone przez procesy chromodynamiki kwantowej (QCD), które nie rozróżniały kwarków górnych i dolnych. Jednak wyniki głęboko nieelastycznego rozpraszania wysokoenergetycznych mionów na tarczach protonowych i deuteronowych przeprowadzone przez CERN-NMC pokazały, że w protonie jest więcej d niż u . Suma Gottfrieda zmierzona za pomocą NMC wyniosła 0,235 ± 0,026, czyli znacznie mniej niż oczekiwana wartość 1/3. Oznacza to, że d ( x )-u ( x ) zintegrowane po Bjorken x od 0 do 1,0 wynosi 0,147±0,039, co wskazuje na asymetrię smaku w morzu protonów. Niedawne pomiary przy użyciu rozpraszania Drella-Yana zbadały asymetrię smaku protonu. Do wiodącego rzędu stałej sprzężenia oddziaływań silnych, α _s , przypisany jest przekrój Drella-Yana przez

${\ Displaystyle {\ Frac {d ^ {2} \ sigma} {dx_ {1} dx_ {2}}} = {\ Frac {4 \ pi \ alfa }{9x_{1}x_{2}}}\sum _{i\in u,d,s,\cdots }e_{i}^{2}\left[q_{i}^{A}(x_{ 1}){\bar {q}}_{i}^{B}(x_{2})+{\bar {q}}_{i}^{A}(x_{1})q_{i} ^{B}(x_{2})\prawo]}$

gdzie jest stałą subtelnej struktury , $displaystyle e_ {$$}}$${\ Displaystyle q_ {i} ^ {A, B} (x_ {1,2})}$ ładunkiem kwarku o $ZA$ , oznaczają funkcję rozkładu partonów w hadronie ${\ Displaystyle A}$ i hadronie ${\ Displaystyle B}$ z pędem ${\ displaystyle x_ {1}}$ i ${\ displaystyle x_ {2}}$ . Podobnie ${\ Displaystyle {\ bar {q}} _ {i} ^ {A, B} (x_ {1,2})}$ oznacza rozkłady antykwarkowe.

Korzystając z symetrii izospinu , funkcje rozkładu partonów dla protonu i neutronu są powiązane w następujący sposób:

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} u (x) i \ równoważnik u ^ {p} (x) = d ^ {n} ( x)\\d(x)&\równoważnik d^{p}(x)=u^{n}(x)\\{\bar {u}}(x)&\równoważnik {\bar {u}} ^{p}(x)={\bar {d}}^{n}(x)\\{\bar {d}}(x)&\równoważnik d^{p}(x)={\bar { u}}^{n}(x)\\\koniec{wyrównany}}}$

Dlatego przekrój poprzeczny protonu na deuterze nad protonem na wodorze Drella-Yana można zapisać jako

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} {\ Frac {\ sigma ^ {pd}} {2 \ sigma ^ { pp}}}&={\frac {\sigma ^{pn}+\sigma ^{pp}}{2\sigma ^{pp}}}\\&={\frac {1}{2}}\left [1+{\frac {4u(x_{1}){\bar {d}}(x_{2})+d(x_{1}){\bar {u}}(x_{2})}{ 4u(x_{1}){\bar {u}}(x_{2})+d(x_{1}){\bar {d}}(x_{2})}}\right]\end{wyrównane }}}$

Wykorzystując fakt, że w protonie jest więcej kwarków, stosunek ten można przybliżyć jako u $\ displaystyle u}$

${\ Displaystyle {\ Frac {\ sigma ^ {pd}} {2 \ sigma ^ {pp}}} \około {\frac {1}{2}}\left[1+{\frac {{\bar {d}}(x_{2})}{{\bar {u}}(x_{2})} }\Prawidłowy]}$

gdzie $\ Displaystyle {\ bar {d}} (x)}$ i ${\ Displaystyle {\ bar {u}} (x)}$ są anty-dolnym i anty-górnym kwarkiem $ułamek$ w morzu protonów $pędu$ jest zmienną skalującą ( kwarka docelowego w modelu partonowym ).

Produkcja bozonu Z

Produkcja bozonów Z w procesie Drell-Yan daje możliwość zbadania sprzężeń bozonu Z z kwarkami . Główną obserwacją jest asymetria przód-tył w rozkładzie kątowym dwóch leptonów w ich układzie środka masy .

Jeśli istnieją cięższe bozony o neutralnej grubości (patrz bozon Z ' ), można je odkryć jako pik w niezmiennym widmie mas dileptona w podobny sposób, w jaki pojawia się standardowy bozon Z dzięki procesowi Drell-Yan.

Proces Drella-Yana i zdarzenie leżące u jego podstaw

Chociaż procesy QCD o wysokiej energii są dostępne za pośrednictwem teorii zaburzeń, efekty o niższej energii, takie jak hadronizacja , są nadal rozumiane tylko z perspektywy fenomenologicznej. Ponieważ bozony Z nie są w stanie przenosić ładunków kolorowych, właściwości zdarzenia leżącego u podstaw można skutecznie badać w selekcjach Drell-Yan ${\ Displaystyle Z ^ {0} \ do \ ell ^ {+} \ ell ^{-}}$ zdarzeń, w których kandydaci Z i ich produkty rozpadu są ignorowane. Pozostaje czyste zdarzenie bazowe, niewrażliwe na fizykę twardego procesu Drell-Yan. Inne procesy mogą mieć problemy z błędną identyfikacją, ponieważ mogą one również wytwarzać dżety hadronowe w twardym procesie.

Zobacz też

• Fermilab E-906/SeaQuest