在 $\sqrt{\textit s}=5.02$ TeV 的 pp 碰撞中，利用能量-能量相關器揭示噴流內的夸克膠子-強子轉變過程

核心概念

本研究利用能量-能量相關器 (EEC) 測量質子-質子碰撞中帶電粒子噴流的能量流動，揭示了從早期夸克膠子分裂到強子化的噴流演化過程，並發現強子化過程存在一個與噴流能量無關的共同能量尺度。

摘要

在 $\sqrt{\textit s}=5.02$ TeV 的 pp 碰撞中，利用能量-能量相關器揭示噴流內的夸克膠子-強子轉變過程

研究背景

噴流是研究量子色動力學 (QCD) 的有力工具。在大型強子對撞機 (LHC) 中，它們通過來自每個碰撞質子的夸克和膠子（部分子）之間的硬散射過程（大動量轉移）大量產生。來自初始散射的高能部分子經歷 QCD 輻射並分裂成低能部分子。這個過程可以使用微擾 QCD (pQCD) 計算來描述，並通過蒙地卡羅 (MC) 部分子簇射程序進行建模。在一定的能量尺度以下，當部分子被限制在強子中時，就會出現顏色中性粒子；最終，穩定的最終粒子流入探測器。噴流內部粒子的內部結構，稱為噴流子結構，編碼了部分子簇射的輻射模式和有關強子化過程的信息。

研究方法

本研究使用一種稱為能量-能量相關器 (EEC) 的新型噴流子結構可觀測量，它關注噴流內部能量流的相關函數。EEC 作為能量加權的雙粒子相關性，是粒子對之間角度距離的函數。本論文研究了在 √s = 5.02 TeV 的 pp 碰撞中產生的高能噴流內的 EEC。這種方法側重於共線極限內的能量相關函數，而不是整個事件，為從微擾分裂到部分子限制到強子的噴流演化提供了新的視角。

主要發現

• EEC 分佈在較大角度和較小角度極限處表現出不同的角度依賴性，並且在兩者之間存在一個過渡區域。
• 較大角度區域由早期噴流演化決定，其中部分子以微擾方式分裂和簇射。
• 較小角度區域反映了後期噴流結構，其特徵是微擾方法無法獲得的 QCD。
• 中間角度過渡區域，以非微擾和 pQCD 區域之間的峰值結構為標誌，是強子化過程的特徵，其中部分子被限制在無色強子中。
• 過渡區域的峰值位置與噴流能量無關，表明強子化過程存在一個共同的能量尺度，其中 QCD 輻射停止，與噴流能量無關。

研究結論

本研究報告了使用 ALICE 探測器測量的 pp 碰撞中產生的帶電粒子噴流的 EEC 分佈。這是首次在 LHC 上對低 pT 噴流的探測器效應進行完全校正的能量相關器測量。數據與大角度區域的 pQCD 計算結果非常吻合。在小 RL 處觀察到與 RL 的線性縮放，正如對能量均勻分佈的自由運動強子的預期。兩者之間的過渡區域對應於強子化過程。過渡區域顯示出明顯的噴流能量依賴性，對於具有較高 pT 的噴流，峰值出現在較小的角度尺度上。重新歸一化的 EEC 分佈作為 ⟨pch jet T ⟩RL 的函數表明，該量決定了 EEC 分佈的形狀，直接關係到噴流的能量尺度（虛擬度）。一個共同的過渡位置出現在 RL ∼ (2.4 GeV/c)/⟨pch jet T ⟩ 處。

統計資料

共同轉變位置發生在 RL ∼(2.4 GeV/c)/⟨pch jet T ⟩。
對於 RL > 0.01 的對，在 GEANT 模擬中觀察到 ∼90% 的對效率，對於 RL 較小的對，該效率急劇下降至 < 20%。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Exposing the parton-hadron transition within jets with energy-energy correlators in pp collisions at $\sqrt{\textit s}=5.02$ TeV

by ALICE Collab... 於 arxiv.org 11-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.12687.pdf

深入探究

這項研究如何促進我們對夸克膠子等離子體 (QGP) 的理解？

這項研究通過分析質子-質子碰撞中噴注的能量-能量關聯函數 (EEC)，深入探討了強作用力理論中的強子化過程，為我們理解夸克膠子等離子體 (QGP) 提供了重要的基礎。

QGP 環境下的噴注淬滅: 在重離子碰撞中產生的 QGP 是一種高溫、高密度的夸克與膠子自由運動的狀態。當高能噴注在 QGP 中傳播時，會與 QGP 發生相互作用並損失能量，這個現象稱為噴注淬滅。通過比較質子-質子碰撞 (沒有 QGP 形成) 和重離子碰撞 (有 QGP 形成) 中的 EEC 分佈，我們可以研究 QGP 對噴注強子化過程的影響。例如，QGP 環境下，EEC 的躍遷區域可能會向更小的角度偏移，峰值也可能降低，這些變化反映了 QGP 對噴注能量流動的改變。

強子化模型的限制: 這項研究發現，不同的強子化模型 (例如弦碎裂模型和簇化強子化模型) 對 EEC 分佈的預測存在差異，特別是在躍遷區域。通過將實驗數據與不同模型的預測進行比較，我們可以限制強子化模型的參數，並加深對強子化機制的理解。這對於準確描述 QGP 的性質和演化至關重要。
總之，這項研究為我們提供了一個新的視角來研究強子化過程，並為未來在重離子碰撞中利用 EEC 探測 QGP 的性質奠定了基礎。

如果在更高能量的碰撞中進行測量，結果是否會與本研究中觀察到的結果有所不同？

是的，如果在更高能量的碰撞中進行測量，EEC 的結果可能會與本研究中觀察到的結果有所不同。主要體現在以下幾個方面：

微擾區域的擴展: 更高的碰撞能量意味著初始散射產生的夸克和膠子具有更高的能量，從而導致更強的 QCD 輻射和更活躍的粒子分裂。這將導致 EEC 分佈中的微擾區域向更小的角度擴展，因為高能噴注在強子化之前會經歷更多的分裂過程。

躍遷區域的移動: 如文中所述，EEC 分佈的躍遷區域峰值位置與噴注能量成反比。因此，在更高能量的碰撞中，躍遷區域的峰值預計會向更小的角度移動。這是因為高能噴注的強子化過程發生在更小的時空尺度上。

對強子化模型更强的敏感性: 更高的碰撞能量也意味著最終態粒子具有更高的動量，這對強子化模型提出了更大的挑戰。不同強子化模型之間的差異可能會在更高能量的 EEC 分佈中更加明顯，從而為我們提供更精確的限制。
總之，在更高能量的碰撞中測量 EEC 分佈，可以更深入地探測強子化的細節，並為我們提供更豐富的信息來理解 QCD 在非微擾區域的行為。

這項研究的發現如何應用於其他領域，例如天體物理學或凝聚態物理學？

儘管這項研究主要關注粒子物理學中的強作用力，但其發現和方法也可能應用於其他領域，例如天體物理學和凝聚態物理學：

天體物理學: 噴流現象在天體物理學中很常見，例如活躍星系核 (AGN) 和伽馬射線暴 (GRB)。這些天體物理噴流的形成和演化涉及到極端的物理條件，例如強磁場、高密度和相對論效應。儘管 QCD 不是主導這些噴流的唯一因素，但 EEC 作為一種描述能量流動關聯性的工具，可以幫助我們理解天體物理噴流的內部結構和能量傳輸機制。例如，通過分析不同類型天體物理噴流的 EEC 分佈，我們可以研究其能量耗散機制和與周圍環境的相互作用。

凝聚態物理學: 凝聚態物理學研究物質的多體系統，例如固體、液體和等離子體。在某些情況下，凝聚態系統中的能量傳輸也表現出類似於噴流的行為，例如強激光與物質相互作用產生的等離子體噴流。EEC 方法可以應用於分析這些凝聚態噴流的能量分佈和演化，幫助我們理解能量在這些系統中的傳輸機制。
此外，這項研究發展的數據分析方法，例如噴注重建、背景扣除和探測器效應校正，也可能應用於其他領域的數據分析，特別是涉及到複雜碰撞過程和高粒子數目的情況。
總之，這項研究的發現和方法具有更廣泛的適用性，可以為其他領域的研究提供新的思路和工具。