Première observation directe de l’effet de cône mort en physique des particules

La collaboration ALICE au Grand collisionneur de hadrons (LHC) a réalisé la première observation directe de l’effet de cône mort, une caractéristique fondamentale de la théorie de la force forte qui lie les quarks et les gluons ensemble en protons, neutrons et, finalement, tous les atomes atomiques. noyaux. En plus de confirmer cet effet, l’observation, rapportée dans un article publié aujourd’hui dans Naturefournit un accès expérimental direct à la masse d’un seul quark charme avant qu’il ne soit confiné à l’intérieur des hadrons.

“Il a été très difficile d’observer directement le cône mort”, a déclaré le porte-parole d’ALICE, Luciano Musa. “Mais, en utilisant trois ans de données sur les collisions proton-proton au LHC et des techniques sophistiquées d’analyse des données, nous avons finalement pu le découvrir.”

Les quarks et les gluons, collectivement appelés partons, sont produits lors de collisions de particules telles que celles qui ont lieu au LHC. Après leur création, les partons subissent une cascade d’événements appelés pluie de partons, au cours de laquelle ils perdent de l’énergie en émettant un rayonnement sous forme de gluons, qui émettent également des gluons. Le diagramme de rayonnement de cette gerbe dépend de la masse du parton émetteur de gluons et affiche une région autour de la direction de vol du parton où l’émission de gluons est supprimée – le cône mort.

Prédit il y a trente ans à partir des premiers principes de la théorie de la force forte, le cône mort a été indirectement observé au niveau des collisionneurs de particules. Cependant, il est resté difficile de l’observer directement à partir du diagramme de rayonnement de la douche parton. Les principales raisons en sont que le cône mort peut être rempli de particules dans lesquelles le parton émetteur se transforme, et qu’il est difficile de déterminer le changement de direction du parton tout au long du processus de douche.

La collaboration ALICE a surmonté ces défis en appliquant des techniques d’analyse de pointe à un large échantillon de collisions proton-proton au LHC. Ces techniques peuvent faire reculer la douche partonique dans le temps à partir de ses produits finaux – les signaux laissés dans le détecteur ALICE par un jet de particules connu sous le nom de jet. En recherchant des jets contenant une particule contenant un quark charme, les chercheurs ont pu identifier un jet créé par ce type de quark et retracer toute l’histoire des émissions de gluons du quark. Une comparaison entre le schéma d’émission de gluons du quark charme avec celui des gluons et des quarks pratiquement sans masse a ensuite révélé un cône mort dans le schéma du quark charme.

Le résultat expose également directement la masse du quark charme, car la théorie prédit que les particules sans masse n’ont pas de cônes morts correspondants.

“Les masses de quarks sont des quantités fondamentales en physique des particules, mais elles ne peuvent pas être consultées ni mesurées directement dans les expériences car, à l’exception du quark top, les quarks‌ sont confinés à l’intérieur de particules composites”, explique Andrea Dainese, coordinatrice physique d’ALICE. “Notre technique réussie pour observer directement le cône mort d’une pluie de partons peut offrir un moyen de mesurer les masses de quarks.”