ハドロン化

ハドロン化（またはハドロン化）とは、クォークとグルーオンからハドロンが形成される過程のことである。ハドロン化には主に2つの系統がある。クォークグルーオンプラズマ（QGP）変換^{[ 1 ]}とカラーストリングのハドロンへの崩壊^{[ 2 ]}である。クォークグルーオンプラズマからハドロンへの変換は、相対論的重イオン実験で検証されている格子QCD数値シミュレーションで研究されている^{[ 3 ]} 。クォークグルーオンプラズマのハドロン化は、ビッグバン直後にクォークグルーオンプラズマがハゲドーン温度（約150 MeV）まで冷却され、自由なクォークとグルーオンが存在できなくなったときに起こった[ 4 ]。ストリングの破壊^では、真空から自発的に生成されたクォーク、反クォーク、そして時にはグルーオンから新しいハドロンが形成される^{[ 5 ]}。 

QGPのハドロン化の非常に成功した記述は、フェルミ・ポメランチュク粒子生成モデル^{[ 7 ]}に従って統計的位相空間重み付け^{[ 6 ]}に基づいています。このアプローチは、1950年以来、当初は強い相互作用粒子生成の定性的な記述として開発されました。当初は正確な記述ではなく、粒子収量の上限の位相空間推定を目的としていました。その後、数多くのハドロン共鳴が発見されました。ロルフ・ハーゲドーンは、統計的共鳴重みと共鳴質量スペクトルの観点からハドロン相互作用を記述できる統計的ブートストラップモデル（SBM）を提唱しました。これにより、定性的なフェルミ・ポメランチュクモデルは、粒子生成の正確な統計的ハドロン化モデルになりました。^{[ 8 ]}しかし、ハドロン相互作用のこの特性は、粒子収量が未確認の高質量ハドロン共鳴状態に敏感であるため、統計的ハドロン化モデルにとって課題となります。統計的ハドロン化モデルは、1991年に初めて相対論的重イオン衝突に適用され、 CERNで発見されたクォークグルーオンプラズマの最初の奇妙な反バリオンシグネチャの認識につながった。^{[ 9 ] [ 10 ]}

ハドロン化過程のQCD（量子色力学）はまだ完全には理解されていませんが、ルンド弦モデルやさまざまな長距離QCD近似スキームを含む多くの現象論的研究でモデル化およびパラメータ化されています。^{[ 5 ] [ 11 ] [ 12 ]}

1つのクォークのハドロン化によって生成される粒子の密な円錐はジェットと呼ばれます。粒子検出器では、クォークではなくジェットが観測され、クォークの存在は推測する必要があります。モデルと近似スキーム、およびそれらが予測するジェットのハドロン化または断片化は、 TASSO ^{[ 13 ]}、OPAL ^{[ 14 ]} 、 H1 ^{[ 15 ]}などの多くの高エネルギー粒子物理実験での測定と広範囲に比較されています。

ハドロン化はモンテカルロシミュレーションを用いて調べることができる。粒子シャワーが終了した後、仮想粒子がシェルからどれだけ離れているかを示す仮想性（仮想粒子がシェルからどれだけ離れているか）がカットオフスケール程度のパートンが残る。この時点から、パートンは低運動量伝達、長距離領域に入り、非摂動効果が重要になる。これらの効果の中で最も支配的なのがハドロン化であり、これによりパートンが観測可能なハドロンに変換される。ハドロン化の正確な理論は知られていないが、パラメータ化のための成功したモデルが2つ存在する。

これらのモデルは、素粒子物理イベントをシミュレートするイベントジェネレーター内で使用されます。ハドロン化にパートンを与えるスケールは、イベントジェネレーターのシャワーモンテカルロコンポーネントによって固定されます。ハドロン化モデルは通常、あらかじめ定義されたスケールから始まります。シャワーモンテカルロ内で適切に設定されていない場合、重大な問題が発生する可能性があります。シャワーモンテカルロの一般的な選択肢は、PYTHIAとHERWIGです。これらはそれぞれ、2つのパラメーター化モデルのいずれかに対応しています。

しかし、トップクォークは弱い力によって崩壊し、平均寿命は 5×10 ⁻²⁵秒です。通常、強い相互作用よりもはるかに遅い他のすべての弱い相互作用とは異なり、トップクォークの弱い崩壊は QCDの強い力が作用する時間スケールよりも非常に短いため、トップクォークはハドロン化する前に崩壊します。^{[ 16 ]}したがって、トップクォークはほぼ自由粒子です。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

• Greco, V.; Ko, CM; Lévai, P. (2003). "RHICにおけるパートン合体と反陽子/パイオン異常". Physical Review Letters . 90 (20) 202302. arXiv : nucl-th/0301093 . Bibcode : 2003PhRvL..90t2302G . doi : 10.1103/PhysRevLett.90.202302 . PMID 12785885. S2CID 35617853 .  
• Fries, RJ; Müller, B.; Nonaka, C.; Bass, SA (2003). "重イオン衝突におけるハドロン化: 重イオン衝突におけるパートンの再結合と断片化". Physical Review Letters . 90 (20) 202303. arXiv : nucl-th/0301087 . Bibcode : 2003PhRvL..90t2303F . doi : 10.1103/PhysRevLett.90.202303 . PMID 12785886. S2CID 912540 .