Proceso Drell-Yan

Proceso de dispersión de hadrones-hadrones de alta energía

Proceso Drell-Yan: un quark de un hadrón y un antiquark de otro hadrón se aniquilan para crear un par de leptones mediante el intercambio de un fotón virtual.

El proceso Drell-Yan ocurre en la dispersión de hadrones -hadrones de alta energía. Tiene lugar cuando un quark de un hadrón y un antiquark de otro hadrón se aniquilan, creando un fotón virtual o bosón Z que luego se desintegra en un par de leptones con cargas opuestas . Es importante destacar que la energía del par quark-antiquark en colisión puede transformarse casi por completo en masa de nuevas partículas. Este proceso fue sugerido por primera vez por Sidney Drell y Tung-Mow Yan en 1970 ^[1] para describir la producción de pares leptón - antileptón en colisiones de hadrones de alta energía. Experimentalmente, este proceso fue observado por primera vez por JH Christenson et al. ^[2] en colisiones protón-uranio en el sincrotrón de gradiente alterno .

Descripción general

El proceso Drell-Yan se estudia tanto en experimentos con objetivos fijos como con colisionadores. Proporciona información valiosa sobre las funciones de distribución de partones (PDF) que describen la forma en que se divide el impulso de un nucleón entrante de alta energía entre sus partones constituyentes. Estos PDF son ingredientes básicos para calcular esencialmente todos los procesos en colisionadores de hadrones. Aunque las FDP deberían ser derivables en principio, la ignorancia actual de algunos aspectos de la fuerza fuerte lo impide. En cambio, las formas de las PDF se deducen de datos experimentales.

Proceso Drell-Yan y dispersión inelástica profunda

Las PDF se determinan utilizando los datos mundiales de la dispersión inelástica profunda , el proceso Drell-Yan, etc. El proceso Drell-Yan está estrechamente relacionado con la dispersión inelástica profunda; El diagrama de Feynman del proceso de Drell-Yan se obtiene si el diagrama de Feynman de dispersión inelástica profunda se gira 90°. Un fotón virtual de tipo temporal o bosón Z se produce en el canal s en el proceso Drell-Yan, mientras que un fotón virtual de tipo espacial o bosón Z se produce en el canal t en la dispersión inelástica profunda.

Sensibilidad a la asimetría del sabor del quark marino ligero en el protón

Se había creído ingenuamente que el mar de quarks en el protón se formaba mediante procesos de cromodinámica cuántica (QCD) que no discriminaban entre quarks ascendentes y descendentes. Sin embargo, los resultados de la dispersión inelástica profunda de muones de alta energía en objetivos de protón y deuterón realizada por CERN-NMC ^{[3] [4]} mostraron que hay más d que u en el protón. La suma de Gottfried medida por NMC fue 0,235 ± 0,026, que es significativamente menor que el valor esperado de 1/3. Esto significa que d ( x ) - u ( x ) integrado sobre Bjorken x de 0 a 1,0 es 0,147 ± 0,039, lo que indica una asimetría de sabor en el mar de protones. Mediciones recientes utilizando la dispersión Drell-Yan probaron la asimetría del sabor del protón. ^{[5] [6] [7]} En orden principal en la constante de acoplamiento de interacción fuerte, α _s , la sección transversal de Drell-Yan está dada por

${\displaystyle {\frac {d^{2}\sigma }{dx_{1}dx_{2}}}={\frac {4\pi \alpha }{9x_{1}x_{2}}}\sum _{i\in u,d,s,\cdots }e_{i}^{2}\left[q_{i}^{A}(x_{1}){\bar {q}}_{i}^{B}(x_{2})+{\bar {q}}_{i}^{A}(x_{1})q_{i}^{B}(x_{2})\right]}$

donde es la constante de estructura fina , es la carga del quark con sabor y denota la función de distribución de partones en hadrones y hadrones , con impulso y respectivamente. De manera similar denota las distribuciones de antiquark. ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle e_{i}}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle q_{i}^{A,B}(x_{1,2})}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle x_{1}}$ ${\displaystyle x_{2}}$ ${\displaystyle {\bar {q}}_{i}^{A,B}(x_{1,2})}$

Utilizando la simetría de isospin , las funciones de distribución de partones para protones y neutrones se relacionan de la siguiente manera:

${\displaystyle {\begin{aligned}u(x)&\equiv u^{p}(x)=d^{n}(x)\\d(x)&\equiv d^{p}(x)=u^{n}(x)\\{\bar {u}}(x)&\equiv {\bar {u}}^{p}(x)={\bar {d}}^{n}(x)\\{\bar {d}}(x)&\equiv d^{p}(x)={\bar {u}}^{n}(x)\\\end{aligned}}}$

Por lo tanto, la sección transversal de Drell-Yan de protón sobre deuterio sobre protón sobre hidrógeno se puede escribir como

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\sigma ^{pd}}{2\sigma ^{pp}}}&={\frac {\sigma ^{pn}+\sigma ^{pp}}{2\sigma ^{pp}}}\\&={\frac {1}{2}}\left[1+{\frac {4u(x_{1}){\bar {d}}(x_{2})+d(x_{1}){\bar {u}}(x_{2})}{4u(x_{1}){\bar {u}}(x_{2})+d(x_{1}){\bar {d}}(x_{2})}}\right]\end{aligned}}}$

Utilizando el hecho de que hay más quarks en un protón, esta relación se puede aproximar como ${\displaystyle u}$

${\displaystyle {\frac {\sigma ^{pd}}{2\sigma ^{pp}}}\approx {\frac {1}{2}}\left[1+{\frac {{\bar {d}}(x_{2})}{{\bar {u}}(x_{2})}}\right]}$

donde y son las distribuciones de quarks anti-down y anti-up en el mar de protones y es la variable de escala de Bjorken (la fracción de impulso del quark objetivo en el modelo parton ). ^[5] ${\displaystyle {\bar {d}}(x)}$ ${\displaystyle {\bar {u}}(x)}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle x}$

producción del bosón Z

La producción de bosones Z mediante el proceso Drell-Yan brinda la oportunidad de estudiar los acoplamientos del bosón Z con los quarks . El principal observable es la asimetría adelante-atrás en la distribución angular de los dos leptones en su marco de centro de masa .

Si existen bosones de calibre neutro más pesados ​​(ver bosón Z' ), podrían descubrirse como un pico en el espectro de masas invariante dilepton de la misma manera que aparece el bosón Z estándar en virtud del proceso Drell-Yan.

Proceso de Drell-Yan y el evento subyacente

Aunque los procesos QCD de alta energía son accesibles a través de la teoría de la perturbación, los efectos de baja energía, como la hadronización , todavía sólo se entienden desde una perspectiva fenomenológica. Dado que los bosones Z no pueden transportar cargas de color, las propiedades del evento subyacente se pueden estudiar eficazmente en selecciones de eventos de Drell-Yan, donde se ignoran los candidatos Z y sus productos de desintegración. ^[8] Lo que queda es el evento subyacente puro, insensible a la física del duro proceso Drell-Yan. Otros procesos pueden sufrir problemas de identificación errónea, ya que también podrían producir chorros hadrónicos en el proceso duro. ${\displaystyle Z^{0}\to \ell ^{+}\ell ^{-}}$

Ver también

• Fermilab E-906/SeaQuest

Referencias

1. Drell, SD; Yan, T.-M. (1970). "Producción masiva de pares de leptones en colisiones hadrón-hadrón a altas energías". Cartas de revisión física . 25 (5): 316–320. Código bibliográfico : 1970PhRvL..25..316D. doi :10.1103/PhysRevLett.25.316. OSTI  1444835. S2CID  16827178.

   Y fe de erratas en Drell, SD; Yan, T.-M. (1970). Cartas de revisión física . 25 (13): 902. Código bibliográfico : 1970PhRvL..25..902D. doi : 10.1103/PhysRevLett.25.902.2 . OSTI  1444835.{{cite journal}}: CS1 maint: untitled periodical (link)

2. Christenson, JH; et al. (1970). "Observación de pares de muones masivos en colisiones de hadrones" (PDF) . Cartas de revisión física . 25 (21): 1523-1526. Código bibliográfico : 1970PhRvL..25.1523C. doi :10.1103/PhysRevLett.25.1523.
3. Amaudruz, P.; et al. (1991). "Suma de Gottfried a partir de la relación F2n/F2p" (PDF) . Cartas de revisión física . 66 (21): 2712–2715. doi : 10.1103/PhysRevLett.66.2712. PMID  10043597.
4. Arneodo, M.; et al. (1994). «Reevaluación de la suma Gottfried» (PDF) . Revisión física D. 50 (1): R1–R3. Código Bib : 1994PhRvD..50....1A. doi :10.1103/PhysRevD.50.R1. PMID  10017566.
5. Hawker, EA; et al. (1998). "Medición de la asimetría del sabor ligero del antiquark en el mar de nucleones". Cartas de revisión física . 80 (17): 3715–3718. arXiv : hep-ex/9803011 . Código bibliográfico : 1998PhRvL..80.3715H. doi : 10.1103/PhysRevLett.80.3715. S2CID  54921026.
6. Toalla, RS; et al. (2001). "Medición mejorada de la asimetría d / u en el mar de nucleones". Revisión física D. 64 (5): 052002. arXiv : hep-ex/0103030 . Código Bib : 2001PhRvD..64e2002T. doi : 10.1103/PhysRevD.64.052002. S2CID  118231497.
7. Baldit, A.; et al. (1994). "Estudio de la ruptura de la simetría del isospin en el mar de quarks ligeros del nucleón del proceso Drell-Yan" (PDF) . Letras de Física B. 332 (1–2): 244–250. Código Bib : 1994PhLB..332..244B. doi :10.1016/0370-2693(94)90884-2.
8. Aad, G.; Abbott, B.; Abdalá, J.; Abdinov, O.; Abeloos, B.; Aben, R.; Abolins, M.; Abouzeid, OS; Abraham, NL; Abramowicz, H.; Abreu, H.; Abreu, R.; Abulaiti, Y.; Acharya, BS; Adamczyk, L.; Adams, DL; Adelman, J.; Adomeit, S.; Adye, T.; Affolder, AA; Agatonovic-Jovin, T.; Agrícola, J.; Aguilar-Saavedra, JA; Ahlen, SP; Ahmadov, F.; Aielli, G.; Akerstedt, H.; Åkesson, TPA; Akimov, AV; et al. (2016). "Medición de observables en forma de eventos en Z → ℓ+ ℓ− eventos en colisiones de pp en s = 7 {\displaystyle {\sqrt {s}}=7} TeV con el detector ATLAS en el LHC". La revista física europea C. 76 (7): 375. arXiv : 1602.08980 . doi :10.1140/epjc/s10052-016-4176-8. PMC 5321395 . PMID  28280446.