ジェット（素粒子物理学）

ジェットとは、粒子物理学または重イオン実験においてクォークとグルーオンのハドロン化によって生成される、ハドロンとその他の粒子の狭い円錐状のことです。色電荷を持つ粒子、つまりクォークとグルーオンは、量子色力学(QCD)の閉じ込めにより無色状態しか許されないため、自由な形で存在することはできません。陽子が高エネルギーで衝突すると、色電荷を持つ各成分が色電荷の一部を運び去ります。閉じ込めに従って、これらの破片は周囲に他の色の物体を生成し、無色のハドロンを形成します。これらの物体の集合体はジェットと呼ばれます。破片はすべて同じ方向に移動する傾向があり、狭い「ジェット」状の粒子を形成するためです。ジェットは粒子検出器で測定され、元のクォークの特性を決定するために研究されます。

ジェットの定義には、ジェットアルゴリズムと再結合スキームが含まれます。^[1]前者は、粒子や検出器オブジェクトなどの入力がジェットにグループ化される方法を定義し、後者は、ジェットに運動量を割り当てる方法を指定します。たとえば、ジェットは推力 によって特徴付けることができます。ジェットの方向 (ジェット軸) は、推力軸として定義できます。粒子物理学の実験では、ジェットは通常、検出器カロリメータ内のエネルギー蓄積のクラスターから構築されます。シミュレートされたプロセスを研究する場合、カロリメータ ジェットは、シミュレートされた検出器応答に基づいて再構築できます。ただし、シミュレートされたサンプルでは、​​フラグメンテーション プロセスから発生する安定した粒子から直接ジェットを再構築することもできます。粒子レベルのジェットは、しばしばトゥルース ジェットと呼ばれます。優れたジェット アルゴリズムでは、通常、イベントの進化のさまざまなレベルで同様のジェット セットを取得できます。一般的なジェット再構築アルゴリズムには、たとえば、反k _Tアルゴリズム、k _Tアルゴリズム、コーン アルゴリズムがあります。典型的な再結合スキームは E スキーム、または 4 ベクトル スキームであり、ジェットの 4 ベクトルはそのすべての構成要素の 4 ベクトルの合計として定義されます。

相対論的重イオン物理学では、ジェットは重要です。なぜなら、起源となるハード散乱は衝突で生成された QCD 物質の自然なプローブであり、その位相を示すからです。QCD 物質がクォーク グルーオン プラズマへの位相クロスオーバーを起こすと、媒体のエネルギー損失が大幅に増加し、実質的に放出ジェットが消滅します (強度が低下します)。

ジェット分析技術の例は次のとおりです。

• ジェット相関
• フレーバータグ付け（例：bタグ付け）
• ジェット下部構造。

ルンド弦モデルはジェット断片化モデルの一例です。

ジェットは QCD のハード散乱プロセスで生成され、高横方向運動量のクォークまたはグルーオン、あるいはパートン図では 総称してパートンと呼ばれるものを生成します。

特定のジェット群を生成する確率は、ジェット生成断面積によって記述される。これは、パートン分布関数によって重み付けされた、QCDの基本的な摂動的なクォーク、反クォーク、グルーオン過程の平均である。最も頻繁に発生するジェット対生成過程である2粒子散乱の場合、ハドロン衝突におけるジェット生成断面積は次のように与えられる。

${\displaystyle \sigma _{ij\rightarrow k}=\sum _{i,j}\int dx_{1}dx_{2}d{\hat {t}}f_{i}^{1}(x_{1},Q^{2})f_{j}^{2}(x_{2},Q^{2}){\frac {d{\hat {\sigma }}_{ij\rightarrow k}}{d{\hat {t}}}},}$

と

• x、Q ² : 縦方向の運動量比と運動量移動
• ${\displaystyle {\hat {\sigma }}_{ij\rightarrow k}}$: ij  →  k反応に対するQCD摂動断面積
• ${\displaystyle f_{i}^{a}(x,Q^{2})}$:ビームa内の粒子種i を見つけるためのパートン分布関数。

基本断面積は、例えば、Peskin & Schroeder (1995) のセクション 17.4 で摂動論の主要な次数まで計算されています。パートン分布関数のさまざまなパラメータ化とモンテカルロ イベント ジェネレータのコンテキストでの計算のレビューは、T. Sjöstrand他(2003) のセクション 7.4.1 で説明されています。 ${\displaystyle {\hat {\sigma }}}$

摂動的な QCD 計算では、最終状態では色付きパートンが存在する可能性がありますが、実験的に観測されるのは最終的に生成される無色のハドロンのみです。したがって、特定のプロセスの結果として検出器で何が観測されるかを説明するには、放出されるすべての色付きパートンが最初にパートンシャワーを受け、次に生成されたパートンがハドロンに結合される必要があります。文献では、フラグメンテーションとハドロン化という用語は、ソフト QCD 放射、ハドロンの形成、または両方のプロセスを説明するために、しばしば互換的に使用されます。

ハード散乱で生成されたパートンが相互作用から抜け出すと、その分離とともに強結合定数が増加する。これにより、QCD放射の確率が増加するが、これは主に前駆パートンに対して浅い角度である。したがって、1つのパートンがグルーオンを放射し、次にグルーオンが放射する。
q

q
対などがあり、それぞれの新しいパートンはその親とほぼ共線的である。これは、パートン密度関数の発展と同様に、スピノルをフラグメンテーション関数と畳み込むことによって記述できる。これは、Dokshitzer  [de] - Gribov - Lipatov - Altarelli - Parisi ( DGLAP )型方程式 によって記述される。${\displaystyle P_{ji}\!\left({\frac {x}{z}},Q^{2}\right)}$

${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial \ln Q^{2}}}D_{i}^{h}(x,Q^{2})=\sum _{j}\int _{x}^{1}{\frac {dz}{z}}{\frac {\alpha _{S}}{4\pi }}P_{ji}\!\left({\frac {x}{z}},Q^{2}\right)D_{j}^{h}(z,Q^{2})}$

パートンシャワーは、連続的にエネルギーの低いパートンを生成するため、摂動的な QCD の有効領域から外れる必要があります。次に、シャワーが発生する時間の長さを記述するために現象論的モデルを適用し、次に、本質的に非摂動的な、色付きパートンが無色ハドロンの束縛状態に結合することを記述する必要があります。1 つの例は、多くの最新のイベント ジェネレーターに実装されている Lund ストリング モデルです。

ジェット アルゴリズムは、イベントを変更してソフト放射を追加した後で同じジェット セットを生成する場合、赤外線安全です。同様に、入力の 1 つに共線分割を導入した後で最終的なジェット セットが変更されない場合、ジェット アルゴリズムは共線安全です。ジェット アルゴリズムがこれら 2 つの要件を満たす必要がある理由はいくつかあります。実験的には、ジェットはシード パートンに関する情報を持っている場合に便利です。シード パートンは生成されると、ハドロン化が始まる前に一連のほぼ共線分割を含むパートン シャワーを受けることが予想されます。さらに、ジェット アルゴリズムは、検出器応答の変動に関して堅牢でなければなりません。理論的には、ジェット アルゴリズムが赤外線および共線安全でない場合、摂動論のどの次数でも有限断面積が得られることは保証されません。

• ダイジェットイベント

• Andersson, B.; Gustafson, G.; Ingelman, G.; Sjöstrand, T. (1983). 「Parton flagment and string dynamics」. Physics Reports . 97 (2–3). Elsevier BV: 31–145. Bibcode :1983PhR....97...31A. doi :10.1016/0370-1573(83)90080-7. ISSN  0370-1573.
• Ellis, Stephen D.; Soper, Davison E. (1993-10-01). 「ハドロン衝突のための連続結合ジェットアルゴリズム」. Physical Review D . 48 (7). American Physical Society (APS): 3160–3166. arXiv : hep-ph/9305266 . Bibcode :1993PhRvD..48.3160E. doi :10.1103/physrevd.48.3160. ISSN  0556-2821. S2CID  2667115.
• M. Gyulassy 他、「高密度核物質におけるジェット消光と放射エネルギー損失」、RC Hwa および X.-N. Wang (編)、『Quark Gluon Plasma 3』(World Scientific、シンガポール、2003 年)。
• JE Huth他、EL Berger (編)、Proceedings of Research Directions For The Decade: Snowmass 1990 (World Scientific、シンガポール、1992)、134 ページ。(Fermilab Library Server のプレプリント)
• ME Peskin、DV Schroeder、「量子場理論入門」（Westview、コロラド州ボルダー、1995 年）。
• T. Sjöstrond et al.、「Pythia 6.3 Physics and Manual」、Report LU TP 03-38 (2003)。
• G. Sterman、「QCD とジェット」、レポート YITP-SB-04-59 (2004)。

• Pythia/Jetset モンテカルロ イベント ジェネレーター
• ファストジェットのジェットクラスタリングプログラム