5.6 Hadronisation et jets

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En provenance du cours de University of Geneva

Physique des particules - une introduction

53 notes

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University of Geneva

Physique des particules - une introduction

53 notes

Ce cours vous introduit à la physique subatomique, c'est à dire à la physique du noyau et à celle des particules élémentaires. Plus spécifiquement les questions adressées sont les suivantes : - Quels sont les concepts de la physique des particules et comment sont-ils implémentés? - Quelles sont les propriétés du noyau atomique et comment peut on les utiliser? - Comment accélérer et détecter des particules et mesurer leurs propriétés? - Qu’est-ce qu’on apprend à partir des réactions de particules à haute énergie et leurs désintégrations? - Comment fonctionnent les interactions électromagnétiques et comment peut-on les mettre à contribution? - Comment fonctionnent les interactions fortes et pourquoi sont-elles difficiles à comprendre? - Comment fonctionnent les interactions faibles et pourquoi sont-elles spéciales? - Quelle est la masse des objets au niveau subatomique, et comment y intervient le Higgs? - Que peut-on apprendre de la physique des particules concernant l’astrophysique et l’Univers tout entier? Le cours est structuré en sept modules. Suivant le premier module qui introduit notre sujet, les modules 2 (Physique nucléaire) et 3 (Accélérateurs et détecteurs) dépendent peu du reste du cours et peuvent être étudiés séparément. Les modules 4 à 7 approfondissent les notions de la matière et des forces élémentaires.

À partir de la leçon

Hadrons et interactions fortes

Dans ce cinquième module vous verrez comment les expériences de diffusion – typiquement utilisant des photons virtuels comme sonde – nous renseignent sur la structure interne des hadrons. Vous apprécierez le rôle des quarks dans la formation de baryons et mesons. Vous comprendrez mieux la notion de la charge couleur et les propriétés des gluons qui transmettent la force forte. Vous verrez comment cette force emprisonne les quarks à l'intérieur de leurs états liés. Et comment par conséquent les quarks fortement secoués (ou crées en paires dans le vide) se transforment en gerbes de hadrons appelés jets.

5.6 Hadronisation et jets11:12

Rencontrer les enseignants

Martin Pohl
Professeur ordinaire
Département de physique nucléaire et corpusculaire
Mercedes Paniccia
Collaboratrice scientifique
Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire

[MUSIQUE] Dans le module 5 de

notre cours,

on est toujours en train de discuter des hadrons et des interactions fortes.

Dans cette sixième vidéo,

on parlera des conséquences du fait que les interactions fortes deviennent de plus

en plus fortes quand la distance entre deux charges couleurs augmente.

Après avoir suivi cette vidéo, vous comprendrez pourquoi on ne peut pas sortir

un quark d'un hadron, d'un méson ou d'un nucléon.

Vous comprendrez aussi ce qui se passe quand on créé une paire de

quark/anti-quark dans le vide.

Alors, comment créer une paire de quark/anti-quark dans le vide?

C'est en convertissant un photon, ou un Z, en paire de quark/anti-quark.

Après la création de cette paire, le quark et l'anti-quark vont s'éloigner

l'un de l'autre à la vitesse qui s'approche de la vitesse de la lumière.

À cause de la grande énergie potentielle qui est stockée

dans un champ chromostatique à grande distance,

les charges couleurs séparées par une force suffisante crééront

des particules au lieu de devenir des quarks et des gluons libres.

Une séparation dynamique se produit, par exemple par ce processus où le quark

et l'anti-quark volent en directions opposées.

La figure à gauche montre le diagramme de Feynman qui est responsable pour ce

processus, la figure à droite la cinématique du processus

dans le système de centre de gravité.

Au milieu, vous voyez un exemple d'une telle réaction qui a été enregistrée

par l'expérience L3 au collisionneur électron-positron LEP du CERN.

Encore une fois, vous voyez que les quarks

ne sont pas détectés tels quels, mais qu'ils se sont convertis en gerbes

de hadrons ; une gerbe montrée

vers le haut, et une gerbe montrée en bleu vers le bas.

Encore une fois, il y a deux approches pour comprendre qualitativement ce

processus : une approche chromostatique et une approche plutôt

chromodynamique ; on va commencer notre discussion par la première.

Voilà ce qui se passe quand je tire sur une paire de quark/anti-quark,

et j'essaye de les séparer l'un de l'autre.

Quand la distance entre les deux s'approche de 1 fermi,

il y aura une énergie potentielle entre les deux qui vaut 1 giga électron-volt,

largement suffisante pour créer une paire de

quark/anti-quark et ainsi abaisser l'énergie potentielle,

ce qui est le processus esquissé dans la deuxième ligne de ce diagramme.

Encore une fois, les 4 particules, maintenant,

vont voler dans une direction opposée et, une fois qu'une certaine distance

suffisante pour la création d'une paire de quark/anti-quark est encore réalisée,

ils vont faire cela pour gagner de l'énergie potentielle.

Ce processus va se poursuivre

jusqu'à ce que l'impulsion relative entre les quarks soit suffisamment modérée

pour permettre la formation d'états liés qui sont les hadrons.

La formation se passe le long de ce qu'on appelle des strings.

Ce sont des sortes d'élastiques, formés par des gluons évidemment,

qui relient les charges couleurs.

Cela se passe donc avec une impulsion transversale limitée ;

c'est pour cela que cette image vous montre une dimension linéaire uniquement.

Ils forment par conséquent des jets qui suivent,

plus ou moins, la direction des quarks initiaux.

Dans une approche plus chromodynamique,

le processus peut être vu en termes d'une cascade entre quarks et gluons.

Cette cascade commence par l'émission d'un gluon par un des deux quarks.

Ce gluon produira soit une paire de gluons,

soit une paire de quark/anti-quark, comme dans cette image à droite,

suivant, évidemment, les vertex élémentaires de la QCD,

c'est-à-dire avec une nette préférence pour la formation de paires

de gluons au-dessus des paires de quark/anti-quark.

La constante de couplage dans ce processus de cascade va diminuer de gauche à droite.

Comme la masse invariante du système va diminuer à chaque étape,

la constante de couplage alpha sera augmentée.

À la fin de cette chaîne, ils vont donc former des mésons et baryons parce que

la constante de couplage devient grande.

Mais il est clair aussi que cette approche ne peut pas servir à complètement décrire

ce processus, parce que vers la fin de cette cascade

les q carrés deviennent tellement petits qu'une approche perturbative,

avec un alpha s qui devient de l'ordre de 1, n'est plus possible.

Dans ce domaine, vers la fin de la cascade,

ce sont les effets collectifs qui dominent qui vont neutraliser

la couleur et former des mésons et des baryons blancs.

Les hadrons, à la fin de la cascade,

sont formés en in vacuo, comme les deux quarks initiaux.

Leurs impulsions transversales sont donc limitées par le principe d'Heisenberg,

à quelques 300 méga électron-volts, et les hadrons sont concentrés autour

de la direction initiale et forment ce que l'on appelle des jets, encore une fois.

Leur impulsion transversale est petite et indépendante de l'impulsion

longitudinale du quark.

Les jets deviennent alors de plus en plus collimés au fur et à mesure que l'énergie

du quark augmente.

Là vous voyez, en effet, un événement à 3 jets, un

magenta, un vert et un bleu, qui sont formés par la réaction qui est

montrée à gauche, à condition que le premier

gluon soit émis avec un angle important et une énergie importante

par rapport à celle du quark qui le produit.

On observe alors un événement à 3 jets qui est à attribuer à cette

réaction, e plus e moins, un q q barre, gluon.

La section efficace est calculée à partir de ces deux diagrammes de Feyman,

parce qu'on ne peut pas savoir de quel quark ou anti-quark le gluon a été émis.

C'est alors au niveau des amplitudes qu'il faut additionner ces deux diagrammes.

L'émission d'un gluon par un quark a toutes les caractéristiques

d'un processus de radiation de freinage.

Il existe deux divergences de son amplitude ; elle devient très grande pour

l'émission du gluon à basse énergie et parallèle au quark qui le produit.

On appelle cela la divergence infrarouge et la divergence colinéaire.

Dans les deux cas, les jets du quark et du gluon vont se confondre et

seront non distinguables dans l'état final ; on va alors fatalement compter

ces événements parmi la totalité de ceux avec hadrons dans l'état final.

Il faut donc additionner cette section efficace à celle pour le processus e plus

e moins q q barre, que l'on avait considéré dans la vidéo 4.5.

On obtient donc une meilleure approximation du rapport R

entre cette section efficace et la section efficace élémentaire e plus e moins

en mu plus mu moins.

En effet, cette correction est loin d'être négligeable ; elle vaut à peu près

10-15 % à haute énergie.

Les jets apparaissent toujours quand un quark ou un gluon de haute énergie

est formé.

Primo, la probabilité, pour un tel processus,

que le quark se convertisse en hadron est 1, c'est-à-dire qu'elle est inévitable.

Deuxio, la conservation de l'énergie/impulsion et la limitation de

l'impulsion transversale font que les jets suivent la direction

du quark initial ou du gluon initial.

Et ceci avec une collimation de plus en plus étroite,

quand l'énergie longitudinale du quark et du gluon augmente.

Ce graphisme vous montre un événement à deux jets énergétiques produits au NHC,

c'est-à-dire dans les collisions entre deux protons.

Vous voyez deux jets clairement, un qui part vers le haut, le jet vert,

et un qui part vers le bas, le jet rouge.

En haut du graphisme, les deux panneaux vous montrent un zoom du détecteur

intérieur, et à gauche vous voyez qu'il y a plusieurs interactions en même temps.

Ceci est grâce à la forte luminosité de cet accélérateur qui fait qu'à

chaque rencontre entre deux paquets de protons plusieurs événements,

jusqu'à 20 événements, se produisent.

À droite, vous voyez la coupure

transversale du même événement qui met en évidence les deux jets et les traces

qui sont les dépôts en énergie dans les calorimètres qui y sont associés.

En bas à droite, vous voyez une représentation de l'énergie

en fonction de l'endroit où elle a été déposée, et vous voyez les deux pics

gigantesques qui correspondent à la direction des jets et

comment ils sont étroits, dû à la haute collimation des deux jets.

Ceci conclut notre courte discussion des interactions fortes.

Dans le prochain module,

on s'occupera des interactions faibles et du mécanisme des X.

[MUSIQUE]

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