Les quarks, les gluons et les antiquarks sont des composants des protons, des neutrons et (par définition) d'autres hadrons. Une propriété physique étonnante de notre monde est que lorsqu'une de ces particules est éliminée d'un hadron qui la contient et vole avec une énergie de mouvement élevée, elle reste inobservable macroscopiquement. Au lieu de cela, un quark à haute énergie (gluon ou antiquark) se transforme en une «pulvérisation» de hadrons (particules composées de quarks, d'antiquarks et de gluons). Ces sprays sont appelés "sprays". Notez que cela est vrai pour les cinq couleurs les plus claires du quark, mais pas pour le quark supérieur se désintégrant en une particule W et le quark inférieur avant qu'un jet ne puisse apparaître.
Dans l'article, je vais décrire en gros comment et pourquoi des jets apparaissent à partir de quarks, d'antiquarks et de gluons à haute énergie.
Ce comportement des quarks, différent du comportement des leptons, neutrinos, photons et autres chargés, découle du fait que les quarks et les gluons sont soumis à une forte interaction nucléaire, tandis que d'autres particules ne le sont pas. La plupart des interactions entre deux particules s'affaiblissent avec l'augmentation de la distance. Par exemple, l'interaction gravitationnelle entre deux planètes tombe inversement avec le carré de la distance entre elles. La même chose est faite pour l'interaction électrique entre deux objets chargés, elle tombe également comme un carré de la distance. Vous pouvez vous-même frotter le ballon, le charger d'électricité statique, puis le porter à votre tête. Si vous le rapprochez, vos cheveux resteront debout, mais cet effet disparaît rapidement si vous déplacez la balle plus loin.
La forte interaction nucléaire, bien qu'elle croisse sur de courtes distances et diminue sur de longues distances (bien que pas aussi rapide que l'électricité - cette propriété est importante pour comprendre l'histoire des interactions fortes), mais cesse de diminuer à des distances de l'ordre d'un millionième de milliardième de milliardième - l'ordre du rayon du proton qui est 100 000 fois plus petit que le rayon de l'atome. Et ce n'est pas un accident - cet effet détermine en fait la taille du proton. Cette interaction générée par le champ de gluons devient constante. Et cela signifie que si vous essayez de retirer le quark du proton, comme dans la fig. 1, vous constaterez que le faire glisser ne devient pas plus facile, tout en le poussant de plus en plus. La sensation est à peu près comparable à l'étirement d'un élastique. Sauf que cette bande de caoutchouc se déchirera à un moment donné. Une fois que suffisamment d'énergie s'est accumulée dans la bande, la nature préférera la déchirer en deux, plutôt que de vous laisser enfiler. Et quand il se casse, au lieu d'un hadron (proton), vous obtenez deux: un proton ou un neutron plus (généralement) un pion. Au moment de la rupture, la paire quark / antiquark se forme d'une certaine manière - l'énergie sous forme de tension de bande est convertie en énergie de masse du quark et de l'antiquark, plus une certaine énergie de mouvement de certains gluons supplémentaires. L’énergie est économisée: vous avez commencé avec l’énergie de masse du proton, ajouté de l’énergie à la tension du proton et reçu l’énergie de la masse de deux hadrons (sans aucun étirement). La charge électrique est également économisée, de sorte que vous obtenez soit un pion neutre et un proton, soit un pion et un neutron chargés positivement.
Fig. 1: si vous essayez de retirer le quark du proton à l'aide d'une pince à épiler magique, le proton sera d'abord déformé puis divisé en deux hadrons. Votre tentative de libérer le quark échouera et l'énergie dépensée se transformera en énergie de la masse du deuxième hadron.Que se passe-t-il lorsqu'un quark à haute énergie est éliminé d'un proton? Par exemple, un électron à déplacement rapide s'écrase sur un proton, frappe fort le quark, lui donnant beaucoup plus d'énergie que l'énergie de masse de l'ensemble du proton?
En gros - je dirai aux experts qu'une partie de cette déclaration sera naïve et un peu distrayante, mais plus tard je la corrigerai - la même chose se produit comme le montre la Fig. 1, mais à plus grande échelle. Le quark se déplace si vite que l'élastique qui apparaît n'a pas le temps de se déchirer et s'étire trop - voir le milieu de la Fig. 2. Par conséquent, au lieu de se briser en un seul endroit et de former deux hadrons, il se brise en de nombreux endroits et forme de nombreux hadrons (principalement des pivoines et des kaons (similaires aux pivoines, mais contiennent un étrange quark ou antiquark) et des mésons eta, ou, plus rarement, protons, neutrons, antiprotons ou antineutrons). Tous iront plus ou moins dans une seule direction. En conséquence, nous aurons des pulvérisations de hadrons, dont la plupart voleront dans la direction du quark d'origine. Voilà.
Fig. 2L'énergie initiale du quark à haute énergie était maintenant répartie entre les hadrons du jet. Mais pour les quarks d'énergies suffisamment élevées (10 GeV ou plus), une petite fraction de l'énergie est impliquée dans la formation de l'énergie de masse de nouveaux hadrons; la plus grande partie va dans l'énergie de leur mouvement. En conséquence, l'énergie totale et la direction du jet sont similaires à l'énergie et à la direction initiales du quark. En mesurant l'énergie et la direction du mouvement de tous les hadrons du jet, et en déterminant l'énergie et la direction du mouvement du jet dans son ensemble, les physiciens des particules obtiennent une bonne estimation de l'énergie et de la direction du mouvement du quark initial.
Il en va de même pour les antiquarks et, avec une légère modification, pour les gluons à haute énergie.
Je veux noter que personne ne peut calculer comment ce processus se déroule en détail. Nous savons ce que je vous ai dit, à la suite d'une combinaison de décennies de calculs théoriques, de connaissances théoriques et de données - des données détaillées provenant de diverses sources - qui montrent généralement que cette histoire est à peu près telle qu'elle est. Et nous avons des raisons de lui faire confiance. Sinon, bon nombre de nos tests très précis de la théorie des interactions nucléaires fortes échoueraient.
Remarque: cet objet semblable à une gomme est appelé par les experts en physique des hautes énergies une chaîne QCD (QCD, ou
chromodynamique quantique , sont des équations décrivant de fortes interactions nucléaires). Historiquement, en essayant de comprendre le comportement des hadrons dans la nature observé par nous (avant que les physiciens ne proposent la QCD et découvrent les gluons, et lorsque les quarks n'étaient pas si bien compris), les théoriciens ont proposé la théorie des cordes à la fin des années 1960. Ce n'est que plus tard qu'il est devenu clair que la corde dans cette première théorie des cordes était la vraie chose, une partie de la physique. Et même plus tard, il est devenu clair que les chaînes QCD ne pouvaient pas être décrites de manière adéquate en utilisant la théorie des cordes standard. Pendant un certain temps, cela a été considéré comme un échec jusqu'à ce que Scherk et Schwartz soulignent que la théorie des cordes pourrait être mieux adaptée pour décrire la gravité quantique (et probablement toutes les particules fondamentales). Et les experts en théorie des cordes sont partis dans une direction différente. Et récemment, il est devenu clair comment quelque chose d'inattendu peut être fait en utilisant la théorie des cordes standard pour qu'il décrive mieux (pas parfait, mais beaucoup mieux) les chaînes QCD. Malheureusement, elle décrit toujours avec dégoût le jet.
De toute évidence, il y a encore beaucoup à dire sur la forte interaction nucléaire.
Fig. 3Permettez-moi maintenant de corriger l'inexactitude autorisée sur la Fig. 2. J'ai omis une étape clé. Un quark impacté, comme toute particule accélérée, émettra. Soudain, un électron accéléré émettra des photons; le quark soudainement accéléré émettra des gluons (et des photons aussi, mais ils sont beaucoup plus petits). Ceci est illustré dans le coin supérieur droit de la fig. 3. Par conséquent, en fait, pas un quark rapide (Fig. 3, au milieu à gauche) n'apparaît au bord du proton, mais un ensemble de gluons rapides plus un quark rapide. En conséquence, le processus de formation d'un jet de hadrons (Fig. 3, en bas) est plus compliqué que sur la Fig. 2, bien que le résultat soit plus ou moins le même. Mais la forme du jet est en fait déterminée par la façon dont les gluons sont émis avant que le quark ne quitte le proton. Le processus d'émission de gluons par un quark peut être calculé! Par conséquent, en utilisant des équations pour une forte interaction nucléaire, on peut calculer beaucoup plus de propriétés du jet qu'il n'y paraît sur la base du riz naïf. 2. Ces calculs ont été vérifiés par des données, ce qui a permis de vérifier les équations de description des interactions nucléaires fortes.