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Hadronización

La hadronización (o hadronización ) es el proceso de formación de hadrones a partir de quarks y gluones . Hay dos ramas principales de la hadronización: la transformación del plasma de quarks y gluones (QGP) [1] y la desintegración de las cadenas de color en hadrones. [2] La transformación del plasma de quarks y gluones en hadrones se estudia en simulaciones numéricas de QCD en red , que se exploran en experimentos relativistas de iones pesados . [3] La hadronización del plasma de quarks y gluones ocurrió poco después del Big Bang cuando el plasma de quarks y gluones se enfrió a la temperatura de Hagedorn (alrededor de 150  MeV ) cuando los quarks y gluones libres no pueden existir. [4] En la ruptura de cuerdas se forman nuevos hadrones a partir de quarks, antiquarks y, a veces, gluones, creados espontáneamente a partir del vacío . [5]

Hadronización estadística

Una descripción muy exitosa de la hadronización QGP se basa en la ponderación estadística del espacio de fases [6] según el modelo de producción de partículas de Fermi-Pomeranchuk. [7] Este enfoque se desarrolló, desde 1950, inicialmente como una descripción cualitativa de la producción de partículas con fuerte interacción. Originalmente no estaba destinado a ser una descripción precisa, sino una estimación del espacio de fases del límite superior del rendimiento de partículas. En los años siguientes se descubrieron numerosas resonancias hadrónicas. Rolf Hagedorn postuló el modelo bootstrap estadístico (SBM) que permite describir las interacciones hadrónicas en términos de pesos de resonancia estadística y el espectro de masas de resonancia. Esto convirtió al modelo cualitativo de Fermi-Pomeranchuk en un modelo de hadronización estadístico preciso para la producción de partículas. [8] Sin embargo, esta propiedad de las interacciones hadrónicas plantea un desafío para el modelo de hadronización estadístico ya que el rendimiento de partículas es sensible a los estados de resonancia hadrónica de alta masa no identificados. El modelo estadístico de hadronización se aplicó por primera vez a las colisiones relativistas de iones pesados ​​en 1991, lo que condujo al reconocimiento de la primera extraña firma antibariónica del plasma de quarks y gluones descubierto en el CERN . [9] [10]

Estudios fenomenológicos del modelo de cuerdas y la fragmentación

La cromodinámica cuántica (QCD) del proceso de hadronización aún no se comprende completamente, pero se modela y parametriza en una serie de estudios fenomenológicos, incluido el modelo de cuerdas de Lund y en varios esquemas de aproximación QCD de largo alcance . [5] [11] [12]

El cono estrecho de partículas creado por la hadronización de un único quark se denomina chorro . En los detectores de partículas , se observan chorros en lugar de quarks, cuya existencia debe inferirse. Los modelos y esquemas de aproximación y su hadronización o fragmentación de chorros predichos se han comparado ampliamente con mediciones en varios experimentos de física de partículas de alta energía, por ejemplo, TASSO , [13] OPAL [14] y H1 . [15]

La hadronización se puede explorar mediante la simulación de Monte Carlo . Una vez que la lluvia de partículas ha terminado, quedan partones con virtualidades (qué tan lejos de la capa están las partículas virtuales ) del orden de la escala de corte. A partir de este punto, el partón se encuentra en el régimen de transferencia de momento bajo y de larga distancia en el que los efectos no perturbativos se vuelven importantes. El más dominante de estos efectos es la hadronización, que convierte a los partones en hadrones observables. No se conoce ninguna teoría exacta para la hadronización, pero hay dos modelos exitosos para la parametrización.

Estos modelos se utilizan en generadores de eventos que simulan eventos de física de partículas. La escala a la que se asignan los partones a la hadronización está fijada por el componente de Monte Carlo de la lluvia de partículas del generador de eventos. Los modelos de hadronización suelen comenzar en una escala predefinida propia. Esto puede causar problemas importantes si no se configura correctamente en el Monte Carlo de la lluvia de partículas. Las opciones comunes de Monte Carlo de la lluvia de partículas son PYTHIA y HERWIG. Cada una de ellas corresponde a uno de los dos modelos de parametrización.

El quark top no se hadroniza

Sin embargo, el quark top se desintegra mediante la fuerza débil con una vida media de 5×10 −25 segundos. A diferencia de todas las demás interacciones débiles, que suelen ser mucho más lentas que las interacciones fuertes, la desintegración débil del quark top es excepcionalmente más corta que la escala de tiempo en la que actúa la fuerza fuerte de la QCD, por lo que un quark top se desintegra antes de poder hadronizarse. [16] Por lo tanto, el quark top es casi una partícula libre. [17] [18] [19]

Referencias

  1. ^ Rafelski, Johann (2015). "Fusión de hadrones, ebullición de quarks". The European Physical Journal A . 51 (9): 114. arXiv : 1508.03260 . Bibcode :2015EPJA...51..114R. doi : 10.1140/epja/i2015-15114-0 . ISSN  1434-6001.
  2. ^ Andersson, Bo, 1937- (1998). El modelo de Lund. Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. ISBN 0-521-42094-6.OCLC 37755081  .{{cite book}}: CS1 maint: nombres múltiples: lista de autores ( enlace ) CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  3. ^ Müller, Berndt (2016), Rafelski, Johann (ed.), "Una nueva fase de la materia: plasma de quarks y gluones más allá de la temperatura crítica de Hagedorn", Hadrones en fusión, quarks en ebullición: de la temperatura de Hagedorn a las colisiones de iones pesados ​​ultrarrelativistas en el CERN , Cham: Springer International Publishing, págs. 107-116, arXiv : 1501.06077 , Bibcode :2016mhbq.book..107M, doi : 10.1007/978-3-319-17545-4_14 , ISBN 978-3-319-17544-7
  4. ^ Letessier, Jean; Rafelski, Johann (2002). Hadrones y plasma de quarks y gluones (1.ª edición). Cambridge University Press. doi :10.1017/cbo9780511534997. ISBN 978-0-521-38536-7.
  5. ^ ab Yu; Dokshitzer, L.; Khoze, Virginia; Mueller, AH; Troyan, SI (1991). Conceptos básicos de QCD perturbativa . Ediciones Fronteras.
  6. ^ Rafelski, Johann; Letessier, Jean (2003). "Prueba de los límites de la hadronización estadística". Física nuclear A . 715 : 98c–107c. arXiv : nucl-th/0209084 . Código Bibliográfico :2003NuPhA.715...98R. doi :10.1016/S0375-9474(02)01418-5. S2CID  18970526.
  7. ^ Hagedorn, Rolf (1995), Letessier, Jean; Gutbrod, Hans H.; Rafelski, Johann (eds.), "El largo camino hacia el modelo estadístico bootstrap", Hot Hadronic Matter , NATO ASI Series, vol. 346, Boston, MA: Springer US, págs. 13–46, doi :10.1007/978-1-4615-1945-4_2, ISBN 978-1-4613-5798-8, consultado el 25 de junio de 2020
  8. ^ Torrieri, G.; Steinke, S.; Broniowski, W.; Florkowski, W.; Letessier, J.; Rafelski, J. (2005). "SHARE: Hadronización estadística con resonancias". Computer Physics Communications . 167 (3): 229–251. arXiv : nucl-th/0404083 . Código Bibliográfico :2005CoPhC.167..229T. doi :10.1016/j.cpc.2005.01.004. S2CID  13525448.
  9. ^ Rafelski, Johann (1991). "Antibariones extraños a partir de plasma de quarks y gluones". Physics Letters B . 262 (2–3): 333–340. Código Bibliográfico :1991PhLB..262..333R. doi :10.1016/0370-2693(91)91576-H.
  10. ^ Abatzis, S.; Barnes, RP; Benayoun, M.; Beusch, W.; Bloodworth, IJ; Bravar, A.; Caponero, M.; Carney, JN; Dufey, JP; Evans, D.; Fini, R. (1990). "Λ y producción en interacciones azufre-tungsteno a 200 GeV/c por nucleón". Physics Letters B . 244 (1): 130–134. doi :10.1016/0370-2693(90)90282-B.
  11. ^ Bassetto, A.; Ciafaloni, M.; Marchesini, G.; Mueller, AH (1982). "Multiplicidad de jets y factorización de gluones blandos". Física nuclear B . 207 (2): 189–204. Código Bibliográfico :1982NuPhB.207..189B. doi :10.1016/0550-3213(82)90161-4. ISSN  0550-3213.
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  15. ^ Aid, S.; Andreev, V.; Andrieu, B.; Appuhn, R.-D.; Arpagaus, M.; Babaev, A.; et al. (H1 Collaboration) (1995). "Un estudio de la fragmentación de quarks en colisiones e −  p en HERA". Física nuclear B . 445 (1): 3–21. arXiv : hep-ex/9505003 . Código Bibliográfico :1995NuPhB.445....3A. doi :10.1016/0550-3213(95)91599-h. ISSN  0550-3213. S2CID  18632361.
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