[論文レビュー] Jets and QCD

Ahmed Ali, Gustav Kramer|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

このレビューは、$e^+e^-$衝突におけるクォークおよびグルーオンのジェットの発見をたどり、それが強い相互作用の理論としての量子色力学（QCD）を確立する上で果たした画期的な役割を説明する。ジェットのエネルギーおよび角度分布を分析することで、この論文はジェットがクォークおよびグルーオンの短距離的性質を明らかにすることを示し、グルーオンがQCDの力の媒介粒子であることを確認するとともに、強い結合定数、パートン密度、トップクォークおよび電弱ボソンの崩壊過程の精密な研究を可能にした。

ABSTRACT

The observation of quark and gluon jets has played a crucial role in establishing Quantum Chromodynamics [QCD] as the theory of the strong interactions within the Standard Model of particle physics. The jets, narrowly collimated bundles of hadrons, reflect configurations of quarks and gluons at short distances. Thus, by analysing energy and angular distributions of the jets experimentally, the properties of the basic constituents of matter and the strong forces acting between them can be explored. In this review, which is primarily a description of the discovery of the quark and gluon jets and the impact of their observation on Quantum Chromodynamics, we elaborate, in particular, the role of the gluons as the carriers of the strong force. Focusing on these basic points, jets in $e^+ e^-$ collisions will be in the foreground of the discussion and we will concentrate on the theory that was contemporary with the relevant experiments at the electron-positron colliders. In addition we will delineate the role of jets as tools for exploring other particle aspects in $ep$ and $pp/p\bar{p}$ collisions - quark and gluon densities in protons, measurements of the QCD coupling, fundamental 2-2 quark/gluon scattering processes, but also the impact of jet decays of top quarks, and $W^\pm, Z$ bosons on the electroweak sector. The presentation to a large extent is formulated in a non-technical language with the intent to recall the significant steps historically and convey the significance of this field also to communities beyond high energy physics.

研究の動機と目的

• クォークおよびグルーオンのジェットの実験的発見と、それが強い相互作用の理論としての量子色力学（QCD）を正当化する上で果たした重要な役割をたどること。
• 電子陽電子衝突におけるジェットの性質が、クォークおよびグルーオンの短距離的挙動、特にグルーオンが強い力の媒介粒子として果たす役割をどのように明らかにするかを説明すること。
• ジェットが、陽子内のクォークおよびグルーオンのパートン密度を調べる手段として、QCD結合定数を測定し、基本的な2対2散乱過程を研究する手段としてどのように機能するかを説明すること。
• トップクォークおよび$W^\pm$, $Z$ボソンのジェット崩壊が、QCDの枠組み内での電弱相互作用領域に与える影響を検討すること。
• 専門外の読者にも理解しやすい言語でQCDおよびジェット物理学の発展を提示しながら、技術的深度を保持すること。

提案手法

• クォークおよびグルーオンの構成を推定するために、$e^+e^-$消滅事象から生成されるハドロンジェットのエネルギーおよび角度分布を分析する。
• 電子陽電子衝突加速器からの実験データを用いて、ジェット多重度およびジェット構造に基づいてクォークおよびグルーオンのジェットの特徴を特定する。
• QCDの摂動論的理論を用いて、特に強い結合定数$\alpha_s$の文脈でジェットの生成および進化を記述する。
• $e^+e^-$、$ep$、$pp/p\bar{p}$衝突におけるジェット観測量を比較し、パートン分布関数を抽出し、QCDの予測を検証する。
• トップクォークおよび$W^\pm$, $Z$ボソンのような重い粒子のジェット崩壊を調査し、電弱対称性の破れおよびQCD補正を調べる。
• 非技術的言語を用いて、ジェット物理学の歴史的意義および物理的洞察を広範な科学コミュニティに伝える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子陽電子衝突におけるクォークおよびグルーオンのジェットの観測が、QCDを強い相互作用の正しい理論とする証拠としてどのように機能したか？
• RQ2 グルーオンがQCDにおける力の媒介粒子として果たす役割は何か？ そして、ジェット構造の分析によってその役割はどのように確認されたか？
• RQ3 電子陽電子衝突におけるジェットの性質は、クォークおよびグルーオンの短距離的ダイナミクスをどのように反映しているか？
• RQ4 ジェットは、$pp/p\bar{p}$および$ep$衝突において、陽子内のクォークおよびグルーオン密度を調べる手段として、どのような方法で機能するか？
• RQ5 トップクォークおよび$W^\pm$, $Z$ボソンのジェット崩壊は、QCDの枠組み内での電弱相互作用領域の理解をどのように深めたか？

主な発見

• クォークおよびグルーオンのジェットの観測は、QCDが強い相互作用の正しい理論であるという決定的な実験的証拠を提供した。
• 電子陽電子衝突におけるジェットのエネルギーおよび角度分布は、グルーオンが強い力の媒介粒子であることを示し、グルーオンが関与するイベントではジェット多重度が高くなることから確認された。
• ジェット構造の分析により、QCD結合定数$\alpha_s$の精密測定が可能になり、摂動論的QCDの予測の妥当性が検証された。
• $pp/p\bar{p}$および$ep$衝突におけるジェットは、クォークおよびグルーオンのパートン分布関数の抽出を可能にし、陽子構造に関する知識を向上させた。
• トップクォークおよび$W^\pm$, $Z$ボソンのジェット崩壊は、電弱過程におけるQCD補正の重要なテストを提供し、理論的予測の妥当性を確認した。
• ジェット物理学の歴史的発展は、実験的ジェット観測が、基本的QCDダイナミクスおよびグルーオンの役割の確認にどのように導いたかを示している。