LHC为ATLAS组织带来对粒子分布函数的新理解

虽然大型强子对撞机(LHC)因将质子砸在一起而闻名,但实际上真正发生相互作用的是质子内部的夸克和胶子--统称为质子。因此,为了预测在LHC中发生的过程的速率--如希格斯玻色子或一种尚不知名的粒子的产生--物理学家必须了解质子内部的粒子行为。

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这种行为在粒子分布函数(PDFs)中得到描述,它描述了质子的动量有多大一部分被其组成的夸克和胶子所占据。

这些PDFs的知识传统上来自于轻子-质子对撞机,如DESY的HERA。这些机器使用点状粒子如电子来直接探测质子内的部分子。这些研究显示,除了众所周知的质子内部的上下价夸克之外,质子中还有一个夸克-反夸克对海洋。理论上,这个海洋是由所有类型的夸克组成,被胶子捆绑在一起。现在,对LHC的质子-质子对撞的研究提供了对PDFs的详细观察,特别是质子的胶子和夸克类型的组成。

ATLAS合作组织刚刚发布了一篇新的论文,其通过结合LHC和HERA数据来确定PDFs。该结果使用了来自几个不同的标准模型过程的ATLAS数据--包括W和Z玻色子的产生、成对的顶夸克和强子喷流(粒子的准直喷流)。传统上认为,由于奇异夸克的质量较大,跟较轻的上夸克和下夸克相比,奇异夸克的PDF将被抑制约2倍的因素。新论文还证实了ATLAS以前的一个结果,该结果发现怪夸克在小的质子动量分数下没有受到实质性的抑制并扩展了这一结果,其显示了在更高的动量分数(x>0.05)下抑制是如何启动的。

来自世界各地的一些实验和理论小组正在努力理解PDFs。虽然他们的结果总体上是一致的,但在高动量分数(x > 0.1)上存在一些差异,这可能会影响到对标准模型以外的物理的高能搜索。此外,越来越清楚的是,如果物理学家要在W玻色子的质量或弱混角等量跟标准模型的偏差中找到新物理学过程的证据就需要更好地理解中等动量分数(x ~ 0.01-0.1)的PDFs。这就要求对PDFs的了解达到1%的精度。

这是ATLAS分析最有力的地方,因为PDFs的准确性取决于对输入数据的系统不确定性的详细了解。ATLAS合作组织能评估其数据集之间这种不确定性的相关性并对其进行说明--这种能力在其新的PDF结果中发挥了巨大作用。这样的知识以前在ATLAS之外是没有的,这使得这个结果成为全球PDF小组的一个新的“指南针”。事实证明,这种相关性的影响可以使PDFs的中心值在中程动量区移动>1%,而在高x区则远远超过这个数字。

ATLAS对PDFs的新理解将在今年晚些时候LHC重新启动时用于寻找新的物理学过程。此外,新技术还将帮助未来的分析小组--无论是在ATLAS还是其他地方--确定更准确的粒子分布函数。

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