Понятие адронизации
В высокоэнергетических столкновениях кварки и глюоны, рождаемые в первичных взаимодействиях, не наблюдаются в свободном состоянии из-за явления конфайнмента. Вместо этого, по мере удаления от точки взаимодействия, они превращаются в конечные наблюдаемые адроны — процесс, известный как адронизация. Это переход от элементарных возбуждений квазичастиц в теории Янга–Миллса (глюонов и кварков) к физическим частицам — мезонам и барионам. Адронизация представляет собой один из наиболее сложных и слабо понимаемых процессов, поскольку он происходит в режиме сильной связи квантовой хромодинамики (КХД), где методы возмущения неприменимы.
Фрагментация как промежуточный этап
Фрагментация — это описание механизма образования струй адронов из начальных высокоэнергетических кварков или глюонов. Она описывает, как одиночный возбужденный кварк (или глюон), вылетающий из точки столкновения, испускает виртуальные частицы, которые рекомбинируются в струю из множества адронов. Важной характеристикой этого процесса является то, что адронов образуется не один, а много, причем с характерным распределением по инвариантной массе, импульсу и углу вылета.
Фрагментация тесно связана с понятием струй (jets), формирующихся в детекторах. Эти струи отражают направление и структуру исходных кварков и глюонов. Благодаря этому, даже несмотря на невозможность прямого наблюдения кварков, можно реконструировать свойства первичного взаимодействия.
Струйная структура
В элементарных процессах, таких как
на выходе наблюдаются коллинеарные струи из множества адронов. Эти струи представляют собой результат фрагментации отдельных кварков или глюонов. Характерная особенность — узкий конус распределения адронов вокруг направления движения исходного партикла.
Для количественного описания используется переменная быстрота $y = \frac{1}{2} \ln\left(\frac{E + p_z}{E - p_z}\right)$ и псевдобыстрота η, которые удобно применять при анализе распределения частиц в детекторах с цилиндрической симметрией. Спектры по быстроте часто демонстрируют плато — признак квазимасштабной инвариантности процессов фрагментации.
Модели адронизации
Поскольку аналитическое описание процесса адронизации в рамках КХД невозможно из-за сильной связи на масштабе порядка ΛQCD ∼ 200 МэВ, применяются феноменологические модели. Наиболее известны две:
Модель Лундской струны Эта модель рассматривает кварки, связанные «струной» — одномерной областью с постоянной натяжкой, имитирующей линейный потенциаль КХД. При растяжении струны происходит её разрыв с образованием пар кварк–антикварк, что приводит к каскадному образованию новых струй. Итерация этого процесса порождает конечный набор адронов. Модель используется в генераторах событий, таких как PYTHIA.
Модель кластеров (HERWIG) В этой модели после каскада глюонного излучения образуются цветово-нейтральные кластеры, которые далее распадаются на адроны. Она основана на том, что после завершения каскада (на шкале Q ∼ 1 ГэВ) энергия сосредоточена в компактных локальных образованиях, которые и соответствуют будущим адронам.
Функции фрагментации
Для описания вероятности образования определённого адрона с долей импульса z используется функция фрагментации Dqh(z), определяющая вероятность того, что кварк q фрагментирует в адрон h, уносящий долю z от импульса. Эти функции являются аналогами функций распределения партонов fq(x), но применимыми в финальном состоянии. Они невычислимы в рамках теории, но могут извлекаться из экспериментальных данных, например, из процессов e+e− → h + X.
Функции фрагментации подчиняются эволюционным уравнениям DGLAP, аналогично функциям распределения, и развиваются с изменением масштаба Q2. Однако начальные условия должны задаваться экспериментально или из моделей.
Цветовая нейтральность и рекомбинация
В ходе адронизации необходимо обеспечить цветовую нейтральность конечных состояний. Это требует рекомбинации кварков и антикварков, а также возможного создания пар из вакуума, чтобы удовлетворить требованиям цветовой конфайнментной динамики. Рекомбинация может происходить на основе пространственной близости, энергетической выгодности или динамики моделей струны/кластера.
Наряду с фрагментацией, альтернативным механизмом адронизации является рекомбинационная модель, в которой конечные адроны формируются напрямую из пар кварков в фазовом пространстве, минуя стадию фрагментации струй. Такая модель более актуальна в условиях высокой плотности материи, например, в тяжелоионных столкновениях.
Экспериментальные проявления и калибровка моделей
Наблюдаемая мультипликативность адронов, распределения по импульсу и углу, а также форма струй используются для проверки и калибровки моделей фрагментации. Экспериментально установлено:
Эти особенности требуют тщательной настройки параметров моделей и использования комплексных генераторов событий, учитывающих эффекты каскадов, излучения, фрагментации, распадов и детекторных искажений.
Фрагментация глюонов и отличия от кварков
Фрагментация глюонов отличается от фрагментации кварков тем, что глюоны несут адъюнтное представление SU(3), то есть два цветовых индекса. Это приводит к более сложной струйной структуре и большему числу конечных частиц. В частности, глюонные струи шире и содержат больше адронов по сравнению с кварковыми струями той же энергии.
Это различие используется в экспериментах для различения кварковых и глюонных струй, что важно при реконструкции событий, таких как распад бозона Хиггса или поиски новой физики.
Адронизация в среде
В среде ядерной материи, как в тяжёлоионных столкновениях, адронизация модифицируется. Это проявляется в подавлении струй, эффекте jet quenching, изменении функций фрагментации и усилении образования барионов. Такие эффекты являются сигналами образования кварк-глюонной плазмы. Теоретическое описание требует введения дополнительных моделей, таких как фрагментация с потерями энергии, индуцированной средой, и рекомбинационных механизмов в плотной плазме.
Взаимосвязь с другими элементами теории КХД
Адронизация завершает цепочку процессов:
Таким образом, понимание адронизации критически важно для интерпретации результатов экспериментов в физике высоких энергий и построения мостика между фундаментальными теоретическими моделями и наблюдаемыми данными.