He estado mirando algunos artículos de física experimental (de la colaboración ATLAS, por ejemplo) y me he encontrado a menudo con frases como "alto $p_T$ electrón". ¿Qué es exactamente $p_T$ ? ¿Es simplemente un impulso, pero con la componente paralela al rayo principal proyectada?
Además, ¿por qué $p_T$ en lugar de $p$ ¿una característica importante de una partícula en un proceso de colisión?
La componente del momento transversal (es decir, perpendicular) a la línea del haz.
Su importancia se debe a que el momento a lo largo de la línea del haz puede ser sólo el sobrante de las partículas del haz, mientras que el momento transversal está siempre asociado a cualquier física que haya ocurrido en el vértice.
Es decir, cuando dos protones colisionan, cada uno viene con tres quarks de valencia y un número indeterminado de quarks marinos y gluones. Todos los que no interactúan siguen bajando a toda velocidad por la tubería (módulo de movimiento de Fermi e interacción de estado final).
Pero los partons que reaccionan lo hacen en promedio{*} en reposo en el marco del laboratorio, por lo que en promedio rociarán la basura resultante uniformemente en cada dirección. Observando el momento transversal se obtiene una muestra bastante limpia de "cosas resultantes de la interacción de partons" y no "cosas resultantes de partons no interactuantes" .
También hay ventajas relacionadas con la ingeniería del detector.
{*} Sólo en promedio. Los eventos individuales pueden implicar un alto Bjorken $x$ partículas y estar muy lejos de estar en reposo en el marco del laboratorio.
Gracias por la explicación. ¿Podría explicar por qué los protones interactúan, en promedio, en reposo cuando los protones se acercan a gran velocidad (en el marco del laboratorio)?
@NilayKumar En un colisionador con proyectiles de igual momento que entran, el marco del laboratorio es el marco de reposo. Eso está bien en los colisionadores e+e- porque los electrones no tienen subestructura. En los colisionadores de protones, aunque la colisión de los protones se produce en reposo en el marco del laboratorio, los partones que interactuarán se mueven dentro de los nucleones con algunos momentos. Conocer la dispersión exacta de dos quarks no es posible, pero las componentes transversales no se ven afectadas por la transformación de Lorenz que llevaría los proyectiles de los quarks a su sistema de centro de masa.
Las colisiones de protones son complicadas, porque el protón tiene un gran lío en su interior. Para ver las colisiones simples, hay que encontrar los casos en los que un solo quark o gluón, un solo parton se dispersa de otro parton en una colisión casi directa. Tales colisiones son relativamente raras, la mayoría de las colisiones de protones son movimientos colectivos difractivos de todo el protón, pero de vez en cuando, se ve una colisión fuerte.
La característica de una colisión dura es que se obtienen partículas cuyo momento está muy alejado de la dirección de la línea del haz. Esto es un evento de "P_T alto". Un electrón de alta P_T suele significar que un parton cargado eléctricamente (un quark) colisionó con algún otro parton, y emitió un fotón duro o un Z que luego produjo un electrón y un positrón. También podría significar que el quark emitió un bosón W, que produjo un electrón y un neutrino. También podría tratarse de un proceso de orden superior en la interacción fuerte, en el que dos gluones produjeron un quark-antiquark, y una de las líneas de quarks emitió entonces un bosón electrodébil, que decae leptónicamente.
La cuestión es que, de cualquier manera que haya sucedido, el evento indica que se produjo una colisión dura y limpia entre dos partons, y esto es una indicación útil de que el evento fue interesante, lo que dará pistas útiles sobre la nueva física si se aíslan y se cuentan eventos similares.
La razón por la que P_T es importante es porque cuando el evento de colisión real es una colisión de corta distancia dominada por la QCD perturbadora, las partículas salientes están casi siempre alejadas de la línea del haz por una cantidad significativa. Incluso en los eventos interesantes, cuando las partículas salientes están cerca de la dirección del haz, es difícil distinguir esto del caso mucho más común de una colisión cercana de refilón, que lleva a la dispersión difractiva.
La dispersión difractiva es el mecanismo dominante de la dispersión protónica (o antiprotónica) a altas energías. La sección transversal de los sucesos difractivos se calcula mediante la teoría de Regge, utilizando la trayectoria de Pomeron. Este tipo de física no ha sido tan interesante para los físicos desde mediados de los años 70, sino más bien por razones políticas. Es difícil de calcular, y tiene poca relación con la teoría de campo que se intenta encontrar. Pero la teoría de Regge está íntimamente relacionada, desde el punto de vista matemático, con la teoría de cuerdas, y quizás vuelva a estar de moda.
Gracias por la detallada respuesta. Sólo para asegurarme de que tengo las cosas claras, ¿las colisiones difractivas, en las que no se producen colisiones duras, tienden a no producir partículas de alta p_T porque los protones no se alejan demasiado de la línea del haz? ¿Se debe esto a que la energía en estos procesos de dispersión difractiva es relativamente baja?
@Nilay: sí. Además, muchas colisiones partonicas son también a baja P_T, porque los partons solo llevan una fracción de la masa/energía total.Afortunadamente la distribución está sesgada de tal manera que un número medible de eventos ocurren donde los partons que colisionan llevan una gran fracción del momento energético del protón. Si esto no ocurriera, se necesitarían colisionadores de protones y leptones.
@NilayKumar tu "porque los protones no se alejan demasiado de la línea del haz" necesita el calificativo "los protones dispersos" hacen un pequeño ángulo con la línea del haz. Los protones entrantes están en la línea del haz por construcción. Si fueran bolas de billar podrían rozar o chocar de frente. Como núcleos su dispersión se describe como "difractiva" (dualidad onda/partícula)
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