Под жесткими процессами в физике высоких энергий понимаются столкновения элементарных частиц, в которых передаваемый импульс (квадрат инвариантной массы промежуточного состояния или переносимый квадрат четырёхимпульса, обозначаемый как Q2) достаточно велик, чтобы можно было применять методы пертурбативной квантовой хромодинамики (pQCD). В таких процессах происходит нарушение связей между партонными составляющими (кварками и глюонами), что ведёт к рождению новых частиц. Важнейшими примерами являются столкновения адронов (в первую очередь — протонов), при которых наблюдается образование струй (джетов), тяжёлых кварков, бозонов и новых адронов.
Рождение частиц в жестких процессах состоит из нескольких последовательно развивающихся стадий:
Начальное столкновение партонов Элементарное взаимодействие происходит не между целыми адронами, а между их партонными составляющими — кварками и глюонами. При этом используется факторизация: полное сечение представляется как свёртка партонных распределений (PDF) с сечением элементарного процесса.
dσAB → X = ∑a, b∫dxadxb fa/A(xa, μ2)fb/B(xb, μ2) dσ̂ab → X
Здесь fa/A(xa, μ2) — распределения партонов, а dσ̂ab → X — сечение на элементарном уровне.
Короткодействующее взаимодействие При больших Q2 взаимодействие описывается диаграммами Фейнмана, в которых учитываются обмены глюонами (в QCD) или бозонами W±, Z0, γ (в электрослабых взаимодействиях). Применимы правила пертурбативного разложения, и влияние нелинейной динамики QCD минимально.
Излучение глюонов и развитие струй Продукты элементарного взаимодействия обладают высокими энергиями и испускают глюоны, что приводит к каскаду вторичных кварк-глюонных излучений. Это развитие описывается при помощи эволюционных уравнений, таких как DGLAP, и приводит к формированию струй.
Гадронизация (конфайнмент) При понижении масштаба энергии до порядка ΛQCD ∼ 200 МэВ, сила взаимодействия резко возрастает, и пертурбативные методы становятся неприменимыми. Кварки и глюоны не могут наблюдаться в свободном состоянии: они связываются в адроны. Этот процесс описывается феноменологическими моделями, в том числе:
Декай нестабильных частиц Многие из рождённых частиц нестабильны и распадаются с характерными временами жизни. Наблюдаемыми являются либо стабильные частицы, либо продукты их распадов.
Джеты — это наблюдаемые следы струй, состоящие из пучков адронов, коррелированных по импульсу. В жестких процессах образование джетов связано с короткодействующим взаимодействием кварков или глюонов. Типичные процессы:
Сечения этих процессов зависят от энергии и от угла рассеяния. На практике важна и реконструкция джетов: используется алгоритмы кластеризации (например, анти-kT).
В условиях достаточной энергии возможна продукция тяжёлых кварков, таких как charm (c) и bottom (b). Механизмы:
Данный механизм имеет важное значение, например, в физике B-мезонов и CP-нарушений.
При достаточно больших энергиях могут рождаться бозоны W±, Z0, а также фотон или лептонные пары:
Такого рода процессы особенно важны в коллайдерных экспериментах типа LHC, где они служат “свечами” для калибровки и тестов Стандартной модели.
При расчёте сечений учитываются поправки более высоких порядков по постоянной связи αs. Они включают:
Присутствие логарифмически усиливающихся членов log (Q2/μ2) требует использования ренормгрупповой эволюции — что реализуется в уравнениях DGLAP и BFKL. Это необходимо для корректного описания зависимости результатов от масштаба процесса.
Ключевой концепцией является факторизация масштабов, позволяющая разделить возмущаемые и невозмущаемые (неперебираемые) вклады:
Правильный выбор масштабов важен для сходимости рядов по αs и для стабильности предсказаний.
На примере коллайдера LHC можно проследить реальные сценарии рождения частиц:
Оценка фона, идентификация сигнальных событий и реконструкция кинематики рождённых частиц являются центральными задачами физики коллайдеров.
Для анализа и предсказаний применяются численные симуляторы:
Эти инструменты позволяют воспроизводить полную цепочку рождения и эволюции частиц до стадии регистрации.
В экспериментах измеряются следующие параметры:
Сравнение с предсказаниями pQCD и Монте-Карло моделей даёт информацию о структуре протонов, эволюции QCD-каскадов и ограничениях на параметры Стандартной модели.
В условиях высокой плотности глюонов (малые x) возникают эффекты насыщения, которые могут быть описаны с помощью:
Эти эффекты особенно значимы при столкновениях тяжёлых ионов и в экспериментах на будущих электрон-ионных коллайдерах.
Жесткие процессы служат окном в новую физику:
Они требуют высокоточной теории и экспериментального анализа, поскольку возможные отклонения от Стандартной модели могут проявляться именно в этих каналах.