Studies of quantum chromodynamics with jets at the CMS experiment at the LHC
Authors: Γιαννείος Παρασκευάς 
Published: April 2022

Η πληρέστερη κατανόηση που διαθέτουμε σχετικά με τα στοιχειώδη σωματίδια και τις θεμελιώδεις δυνάμεις βρίσκεται ενσωματωμένη στο Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) της σωματιδιακής φυσικής. Οι μετρήσεις ακριβείας που διερευνούν την ισχύ του Καθιερωμένου Προτύπου σε ολοένα και υψηλότερες κλίμακες ενέργειας μέσω διαφόρων διεργασιών, συνιστούν βασική επιδίωξη για τα πειράματα του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (LHC). Ανάμεσα στις πιο ενδιαφέρουσες μετρήσεις γνωστών διεργασιών, συγκαταλέγονται εκείνες που αφορούν στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις οι οποίες περιγράφονται μέσω της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής. Ειδικότερα, οι μελέτες που βασίζονται σε πίδακες σωματιδίων, οι οποίοι προσδιορίζονται ως το πειραματικό αποτύπωμα των σωματιδίων που αλληλεπιδρούν μέσω της ισχυρής δύναμης, δηλαδή κουάρκς και γλοιονίων, αποτελούν ένα πολύτιμο εργαλείο για την βαθύτερη κατανόηση των μηχανισμών που διέπουν τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Ένα εξέχον χαρακτηριστικό της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής είναι η ιδιότητα της ασυμπτωτικής ελευθερίας η οποία συνεπάγεται ότι τα κουάρκς και τα γλοιόνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ασθενέστερα σε κοντινές αποστάσεις και ισχυρότερα σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Με άλλα λόγια, η σταθερά ζεύξης των ισχυρών αλληλεπιδράσεων αS ελαττώνεται όταν προσεγγίζεται σε υψηλές κλίμακες ενέργειας και αυξάνεται σε χαμηλότερες κλίμακες ενέργειας. H παράμετρος αS είναι η μοναδική ελεύθερη παράμετρος στην Λαγκρατζιανή της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής, πέραν των μαζών των κουάρκς, που προσδιορίζεται μόνο πειραματικά. Ωστόσο, η αS από μόνη της δεν συνιστά ένα μετρήσιμο φυσικό μέγεθος και ως εκ τούτου, η τιμή της θα πρέπει να συναχθεί πειραματικά από μετρήσιμα φυσικά μεγέθη που είναι ευαίσθητα σε αυτή την παράμετρο. Στην παρούσα εργασία, η μέτρηση της σταθεράς ζεύξης των ισχυρών αλληλεπιδράσεων υλοποιείται μέσω του μετρήσιμου φυσικού μεγέθους RΔφ. Το φυσικό αυτό μέγεθος, ορίζεται ως ο λόγος ανάμεσα στον αριθμό των γειτονικών πιδάκων σωματιδίων με εγκάρσια ορμή pT μεγαλύτερη από ένα ορισμένο κατώφλι, που συνοδεύουν ένα συγκεκριμένο πίδακα σωματιδίων και βρίσκονται εντός ορισμένου διαστήματος αζιμουθιακής απόστασης Δφ από αυτόν, διαιρεμένου με τον συνολικό αριθμό πιδάκων σωματιδίων στο γεγονός. Η μέτρηση βασίζεται σε δεδομένα από συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου με ενέργεια 13 TeV στο κέντρο μάζας, που συλλέχθησαν από το πείραμα CMS κατά την δεύτερη περίοδο λειτουργίας του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (2016-2018) και αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη λαμπρότητα 134.47 fb^{-1}. Οι προβλέψεις από προσομοιώσεις μέσω γεννητόρων γεγονότωνMonte Carlo που συμπεριλαμβάνουν τις διαδικασίες του καταιγισμού παρτονίων, της αδρονοποίησης και των πολυ-παρτονικών αλληλεπιδράσεων δίνουν μια μερική μόνο περιγραφή των αποτελεσμάτων. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί με ακρίβεια δεύτερης τάξης στην διαταρακτική Κβαντική Χρωμοδυναμική, διορθωμένοι για τα μη-διαταρακτικά φαινόμενα, συγκρίνονται επίσης με την μέτρηση και εντός των αβεβαιοτήτων βρίσκονται σε πλήρη συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Από την εν λόγω σύγκριση, η σταθερά ζεύξης των ισχυρών αλληλεπιδράσεων προσδιορίστηκε με χρήση του NNPDF31 NLO πακέτου Συναρτήσεων Κατανομής Παρτονίων σε κλίμακα ενέργειας ίση με την μάζα του μποζονίου Z, στην τιμή αS(Mz)=0.1158{-0.0042}{+0.0089}, όπου τα σφάλματα περιλαμβάνουν τις πειραματικές και μη-διαταρακτικές αβεβαιότητες, τις αβεβαιότητες από τις Συναρτήσεις Κατανομής Παρτονίων και τις αβεβαιότητες κλίμακας. Επιπροσθέτως, η εξέλιξη της σταθεράς ζεύξης των ισχυρών αλληλεπιδράσεων ελέγχθηκε στην περιοχή των TeV έως και 2081 GeV, όπου παρουσίασε την αναμενόμενη από την Κβαντική Χρωμοδυναμική συμπεριφορά, χωρίς να παρατηρείται κάποια απόκλιση.