Quarks, Gluonen und Antiquarks sind Bestandteile von Protonen, Neutronen und (per Definition) anderen Hadronen. Eine erstaunliche physikalische Eigenschaft unserer Welt ist, dass eines dieser Teilchen, wenn es aus einem Hadron, das es enthält, herausgeschlagen wird und mit hoher Bewegungsenergie fliegt, makroskopisch nicht beobachtbar bleibt. Stattdessen verwandelt sich ein energiereicher Quark (entweder Gluon oder Antiquark) in einen „Spray“ aus Hadronen (Partikel, die aus Quarks, Antiquarks und Gluonen bestehen). Diese Sprays werden "Sprays" genannt. Beachten Sie, dass dies für die fünf hellsten Farben des Quarks gilt, nicht jedoch für den oberen Quark, der in ein W-Teilchen zerfällt, und für den unteren Quark, bevor ein Strahl erscheinen kann.
In dem Artikel werde ich grob beschreiben, wie und warum Jets aus energiereichen Quarks, Antiquarks und Gluonen entstehen.
Dieses Verhalten von Quarks, das sich vom Verhalten geladener Leptonen, Neutrinos, Photonen und anderer unterscheidet, beruht auf der Tatsache, dass Quarks und Gluonen einer starken nuklearen Wechselwirkung unterliegen, während andere Teilchen dieser nicht ausgesetzt sind. Die meisten Wechselwirkungen zwischen zwei Partikeln werden mit zunehmender Entfernung schwächer. Zum Beispiel fällt die Gravitationswechselwirkung zwischen zwei Planeten umgekehrt zum Quadrat des Abstandes zwischen ihnen. Das gleiche gilt für die elektrische Wechselwirkung zwischen zwei geladenen Objekten, sie fällt auch als Quadrat der Entfernung ab. Sie können den Ballon selbst reiben, ihn mit statischer Elektrizität aufladen und ihn dann an Ihren Kopf bringen. Wenn Sie es näher bringen, stehen Ihre Haare zu Berge, aber dieser Effekt verschwindet schnell, wenn Sie den Ball weiter bewegen.
Die starke nukleare Wechselwirkung wächst zwar über kurze Entfernungen und nimmt über große Entfernungen ab (obwohl nicht so schnell wie Elektrizität - diese Eigenschaft ist wichtig für das Verständnis der Geschichte starker Wechselwirkungen), nimmt jedoch bei Entfernungen in der Größenordnung von einem Millionstel Milliardstel Meter - der Größenordnung des Protonenradius - nicht mehr ab Das ist 100.000 Mal kleiner als der Radius des Atoms. Und das ist kein Zufall - dieser Effekt bestimmt tatsächlich die Größe des Protons. Diese durch das Gluonenfeld erzeugte Wechselwirkung wird konstant. Und das bedeutet, wenn Sie versuchen, den Quark aus dem Proton herauszuziehen, wie in Abb. 1 werden Sie feststellen, dass das Ziehen nicht einfacher wird, während Sie es immer weiter schieben. Das Gefühl ist ungefähr vergleichbar mit dem Dehnen eines Gummibands. Nur dass dieses Gummiband irgendwann reißt. Sobald sich genug Energie im Band angesammelt hat, wird die Natur es vorziehen, es in zwei Teile zu zerreißen, anstatt Sie ziehen zu lassen. Und wenn es bricht, erhalten Sie anstelle eines Hadrons (Proton) zwei: ein Proton oder ein Neutron plus (normalerweise) ein Pion. Im Moment des Brechens wird das Quark / Antiquark-Paar auf eine bestimmte Weise gebildet - die Energie in Form einer Bandspannung wird in die Massenenergie des Quarks und des Antiquarks umgewandelt, plus eine bestimmte Bewegungsenergie einiger zusätzlicher Gluonen. Die Energie wird gespart: Sie haben mit der Massenenergie des Protons begonnen, der Spannung des Protons Energie hinzugefügt und die Energie der Masse von zwei Hadronen (ohne Dehnung) erhalten. Die elektrische Ladung wird ebenfalls gespeichert, so dass Sie entweder ein neutrales Pion und ein Proton oder ein positiv geladenes Pion und Neutron erhalten.
Abb. 1: Wenn Sie versuchen, den Quark mit einer magischen Pinzette aus dem Proton herauszuziehen, wird das Proton zuerst verzerrt und dann in zwei Hadronen aufgeteilt. Ihr Versuch, den Quark zu befreien, wird fehlschlagen und die verbrauchte Energie wird in die Energie der Masse des zweiten Hadrons umgewandelt.Was passiert, wenn ein energiereicher Quark aus einem Proton herausgeschlagen wird? Zum Beispiel stößt ein sich schnell bewegendes Elektron gegen ein Proton, trifft den Quark hart und gibt ihm viel mehr Energie als die Massenenergie des gesamten Protons?
Grob gesagt - ich werde den Experten sagen, dass ein Teil dieser Aussage naiv und ein wenig ablenkend von der Essenz sein wird, aber später werde ich sie korrigieren - das gleiche passiert wie in Abb. 1, aber in größerem Maßstab. Der Quark bewegt sich so schnell, dass das erscheinende Gummiband keine Zeit zum Zerreißen hat und sich zu stark dehnt - siehe Mitte von Abb. 2. Anstatt an einer Stelle zu brechen und zwei Hadronen zu bilden, bricht es an vielen Stellen und bildet viele Hadronen (meistens Pfingstrosen und Kaonen (ähnlich wie Pfingstrosen, enthalten jedoch einen seltsamen Quark oder Antiquark) und Eta-Mesonen. oder seltener Protonen, Neutronen, Antiprotonen oder Antineutronen). Alle von ihnen werden mehr oder weniger in eine Richtung gehen. Infolgedessen werden wir Hadronensprays haben, von denen die meisten in Richtung des ursprünglichen Quarks fliegen. Da hast du es.
Abb. 2Die Anfangsenergie des Hochenergiequarks wurde nun zwischen den Hadronen im Jet aufgeteilt. Bei Quarks mit ausreichend hohen Energien (10 GeV oder mehr) ist jedoch ein kleiner Teil der Energie an der Bildung der Massenenergie neuer Hadronen beteiligt. Das meiste davon fließt in die Energie ihrer Bewegung. Infolgedessen sind die Gesamtenergie und die Richtung des Strahls ähnlich der Anfangsenergie und Richtung des Quarks. Durch Messen der Energie und Bewegungsrichtung aller Hadronen des Strahls und Bestimmen der Energie und Bewegungsrichtung des gesamten Strahls erhalten Teilchenphysiker eine gute Schätzung der Energie und Bewegungsrichtung des anfänglichen Quarks.
Gleiches gilt für Antiquarks und mit geringfügigen Änderungen für hochenergetische Gluonen.
Ich möchte darauf hinweisen, dass niemand genau berechnen kann, wie dieser Prozess abläuft. Wir wissen, was ich Ihnen als Ergebnis einer Kombination aus jahrzehntelangen theoretischen Berechnungen, theoretischen Einsichten und Daten - detaillierten Daten aus verschiedenen Quellen - erzählt habe, die im Allgemeinen zeigen, dass diese Geschichte ungefähr so ist, wie sie ist. Und wir haben Gründe, uns darauf zu verlassen. Viele unserer hochgenauen Tests der Theorie starker nuklearer Wechselwirkungen würden sonst scheitern.
Hinweis: Dieses gummiartige Objekt wird von einem QCD-String als Hochenergiephysik bezeichnet (QCD oder
Quantenchromodynamik - dies sind Gleichungen, die starke nukleare Wechselwirkungen beschreiben). Historisch gesehen haben Theoretiker in den späten 1960er Jahren die Stringtheorie entwickelt, um das von uns beobachtete Verhalten von Hadronen in der Natur zu verstehen (bevor Physiker QCD entwickelten und Gluonen entdeckten und wenn Quarks nicht so gut verstanden wurden). Erst später wurde klar, dass die Saite in dieser frühen Stringtheorie die reale Sache war, ein Teil der Physik. Und noch später wurde klar, dass QCD-Strings mit der Standard-String-Theorie nicht ausreichend beschrieben werden konnten. Für eine Weile wurde dies als Misserfolg angesehen, bis Scherk und Schwartz darauf hinwiesen, dass die Stringtheorie besser geeignet sein könnte, die Quantengravitation (und wahrscheinlich alle fundamentalen Teilchen) zu beschreiben. Und Experten für Stringtheorie gehen in eine andere Richtung. Und kürzlich wurde klar, wie mit der Standard-Stringtheorie etwas Unerwartetes getan werden kann, damit QCD-Strings besser (nicht perfekt, aber viel besser) beschrieben werden. Leider beschreibt sie den Jet immer noch ekelhaft.
Offensichtlich kann noch viel über die starke nukleare Wechselwirkung gesagt werden.
Abb. 3Lassen Sie mich nun die Ungenauigkeit korrigieren, die in Abb. 2. Ich habe eine Schlüsselstufe weggelassen. Ein getroffener Quark wird wie jedes beschleunigte Teilchen emittieren. Plötzlich emittiert ein beschleunigtes Elektron Photonen. plötzlich emittierter Quark emittiert Gluonen (und auch Photonen, aber sie sind viel kleiner). Dies ist oben rechts in Abb. 1 dargestellt. 3. Daher erscheint am Rand des Protons kein schneller Quark (Abb. 3 in der Mitte links), sondern ein Satz schneller Gluonen plus ein schneller Quark. Infolgedessen ist der Prozess der Bildung eines Hadronenstrahls (Fig. 3, unten) komplizierter als in Fig. 1. 2, obwohl das Ergebnis mehr oder weniger das gleiche ist. Die Form des Strahls wird jedoch tatsächlich davon bestimmt, wie die Gluonen emittiert werden, bevor der Quark das Proton verlässt. Der Prozess der Emission von Gluonen durch einen Quark kann berechnet werden! Daher kann man unter Verwendung von Gleichungen für eine starke nukleare Wechselwirkung viel mehr Eigenschaften des Strahls berechnen, als es auf der Grundlage von naivem Reis erscheinen mag. 2. Diese Berechnungen wurden durch Daten verifiziert, wodurch die Gleichungen zur Beschreibung starker nuklearer Wechselwirkungen überprüft wurden.