Distribuições de glúons e quarks e o Grande Colisor de Hádrons

Transcrição

1 Distribuições de glúons e quarks e o Grande Colisor de Hádrons Emmanuel G. de Oliveira Departamento de Física UFSC Florianópolis, 28 de março de

2 Colisor de hádrons? Exemplos de hádrons: próton, nêutron, núcleos atômicos. Colisor: dois feixes de partículas apontados um contra o outro. Colisões são o método mais fácil de se entender a estrutura dos hádrons e produzir novas partículas. O Grande Colisor de Hádrons usa prótons e núcleos de Chumbo. Pág. 2

3 Grande Colisor de Hádrons Large Hadron Collider (LHC) Maior: circunferência de 27 km. Média de 100 m de profundidade. Mais energético: já atingiu energia de 8 TeV. Hádrons a 3 m/s a menos do que a velocidade da luz. Pág. 3

4 Pág. 4

5 Túnel Pág. 5

6 Atlas e CMS Pág. 6

7 Montando o CMS Pág. 7

8 Atlas Pág. 8

9 Alice e LHCb Pág. 9

10 Eventos com o bóson de Higgs CMS: bóson de Higgs produz dois fótons. Atlas: bóson de Higgs produz quatro léptons. Bóson de Higgs foi descoberto em 14/03/2013 com a massa de ~ 125 GeV. Pág. 10

11 Descoberta do Higgs.gifs Pág. 11

12 Largura do Higgs Principio da incerteza: > largura, < estabilidade Modelo padrão: 4,15 MeV Medido pelo CMS < 17,4 MeV Pág. 12

13 Produção de Higgs Fusão de glúons Pág. 13

14 Hádrons são compostos Hádrons são compostos de pártons. Os pártons são os quarks e glúons. Os quarks e glúons interagem pela força forte, i.e., a cromodinâmica quântica. 90% da massa dos átomos vem dos quarks e glúons. Uma colisão de hádrons em altas energias deve ser vista como uma colisão de pártons. Precisamos saber como os pártons estão distribuídos nos hádrons. Pág. 14

15 Modelo padrão (v. 2013) Pág. 15

16 Distribuições de glúons nos hádrons análises globais Análises globais usando a mesma teoria. Glúon domina a pequeno x. Pág. 16

17 Distribuições de glúons nos hádrons análises globais Análises globais usando a mesma teoria. Glúon domina a pequeno x. Incógnita para pequeno x. Região mais importante para o LHC. Pág. 17

18 Produção Drell Yan Pág. 18

19 Seção de choque Cálculo de uma seção de choque para a produção de um fóton virtual: Fração de momento x Pág. 19

20 Diagramas em ordem seguinte à dominante Pág. 20

21 Problema Divergências infravermelhas Os diagramas de mais alta ordem são infinitos. Problema: a perturbação é infinita! Solução: ressomá-los na distribuição de glúons. A escala de fatorização nos diz o quanto foi ressomado. Resutados físicos não devem depender desta escala. E a variação das distribuições com a escala de fatorização? Pág. 21

22 Evolução DGLAP Os pártons nas distribuições podem emitir mais pártons Esta emissão é parte da interação entre os pártons que é levada em conta na distribuição. Pág. 22

23 Escada DGLAP Múltiplas emissões DGLAP ressoma grandes logaritmos da escala de fatorização Para pequena fração de momentum x, há uma grande probabilidade de múltiplas emissões Pág. 23

24 Dependência na escala de fatorização LHCb Phys.Lett.B694: ,2010 Pág. 24

25 Escolhendo a escala de fatoização ótima para pequeno x Determinar a escala ótima que ressome toda a contribuição dos diagramas mais importantes em ordem seguinte à dominante: Ressoma a divergência 1/t. Considerar um fluxo de glúons de 1/x Pág. 25

26 Drell Yan mu_0 = 1,45 M Pág. 26

27 Adicionar um corte em momentum transversal Incluir um corte no momentum transversal do fóton virtual: Levar em conta os fatores de Sudakov. Pág. 27

28 Escala ótima calculada a partir da interação dos pártons Incluir o corte na interação dos pártons: Com a contribuição do corte: Consequentemente, máximo z de corte Pág. 28

29 Predições e incerteza Pág. 29

30 Variação na escala de fatorização Pág. 30

31 Funções de distribuição de pártons Pág. 31

32 Definição dos pártons na regularização dimensional Diagramas não são finitos no infravermelho (a baixas energias) em ordem seguinte à dominante Uso da regularização dimensional: Método convencional: cancela a divergência e diz que N=4: Pág. 32

33 Pártons físicos A DGLAP também muda com a regularização dimensional: Subtrair a DGLAP dos diagrams e dizer N=4 (esquema físico): Pág. 33

34 Pártons físicos a 10 GeV Pág. 34

35 Pártons físicos a 2 GeV Pág. 35

36 Evolução DGALP Termos diagonais Diferença tem sinal oposto Diminuem em magnitude a pequeno x Pág. 36

37 Evolução DGLAP Termos não diagonais Grande diferença para g q (diminui). Pág. 37

38 Evolução dos quarks pesados Usualmente os quarks são aproximados com massa nula. GM-VFNS (General mass variable flavour number scheme) quarks tomados com massa nula se a escala é maior que a massa do quark. contribuição zero se a escala é menor que a massa do quark. Pág. 38

39 Evolução dos quarks pesados GM-VFNS é justificado apenas em ordem dominante Produz saltos quando a escala é a massa do quark. Apenas um passo necessita ser corrigido para obtermos uma distribuição suave Pág. 39

40 Função de desdobramento g Q Fator de cor, z, escala, massa do quark Sem divergência! Limite correto para grandes escalas Contribuição de mudança de spin Função degrau (coloca o quark pesado na camada de massa) Pág. 40

41 Outras funções de desdobramento Conservação de momentum Quarks pesados intrínsecos Pág. 41

42 Variação do acoplamento com a escala Esquema convencional Número de quarks ativos (de massa zero) igual a 3 p/ escala entre as massas dos quarks strange e charm 4 p/ escala entre as massas dos quarks charm e bottom 5 etc... Pág. 42

43 Equação de evolução do acoplamento (Nosso trabalho) transição suave: multiplicar cada unidade em n_f por: Pág. 43

44 Transição suave Pág. 44

45 Mudança no acoplamento Pág. 45

46 Percentagem de mudança Pág. 46

47 E as colisões de núcleos de chumbo? Produção do plasma de quarks e glúons. Efeitos nucleares nas distribuições de pártons. 47

48 Distribuições nucleares não integradas fatorização k_t Na fatorização colinear, não há dependência em momentum transversal. Toda a dependência fica na interação entre os pártons Método KMR: todos os degraus colineares exceto o último. Nosso trabalho: o caso nuclear. Pág. 48

49 Fórmula para o último passo da evolução Emissão no último passo. Mantém a conservação de energia. Fator de Sudakov. Pág. 49

50 Distribuições nucleares para a mesma escala de fatorização Razão dos efeitos nucleares. Deslocamento em x e efeitos menores para momentum transversal maior. Pág. 50

51 Distribuições nucleares para um mesmo momentum transversal Pequena diferença Menor dependência na escala de fatorização Pág. 51

52 Distribuições nucleares com razão fixa entre escalas Efeitos nucleares são menores para escalas maiores. Pág. 52

53 Conclusões Nova análise global é necessária, levando em conta pártons físicos efeitos de quarks pesados. A partir disto, muitas oportunidades de trabalhar refinando a fatorização para distribuições mais precisas de glúons e quarks. escala ótima. Similarmente, melhorar a fatorização k_t. Futuro incluir efeitos de log(x) e log(1-x). Pág. 53

54 LHC schedule beyond LS1 Only EYETS (19 weeks) (no Linac4 connection during Run2) LS2 starting in 2018 (July) 18 months + 3months BC (Beam Commissioning) LS3 LHC: starting in 2023 => 30 months + 3 BC injectors: in 2024 => 13 months + 3 BC Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 LHC Injectors Run 2 bbbbbbbbbbbbb oo ooo ooooo ooooooo ooooooo oooo oo ooo o oooooo ooooooo o ooooooo LS 2 bbbbbbbbbbbboooo o bbbbbbbbbbbboooo o Run 3 o t Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 LHC Injectors o 2029 LS 3 bbbbbbbbbbbb o 2030 bbbbbbbbbbbbooooo o 2033 Run 4 o o Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 LHC Injectors LS 4 LHC schedule Run 5 bbbbbbbbbbbboooooo o bbbbbbbbbbbboooooo oo o LS 5 bbbbbbbbbbbboooooo bbbbbbbbbbbboooooo o approved by CERN management and LHC experiments spokespersons and technical coordinators Monday 2nd December

55 Após o LHC Depois de anos, LHC com Alta Luminosidade. Colisor muito grande de hádrons (Very Large Hadron Collider VLHC). Raios cósmicos (Pierre Auger). Outros colisores. Pág. 55

56 Brasil membro associado O Cern é a organização de pesquisa responsável pelo LHC. No Cern foi criada a WWW. É composta por 20 países europeus mais Israel que se tornou membro em 12 de dezembro de O Brasil se tornou membro associado em 18 de dezembro de Pág. 56

57 Muito obrigado Pelo apoio da FAPESP. Pela hospitalidade do IPPP na Universidade de Durham e pela hospitalidade do Instituto de Física da USP. Pelas imagens cedidas pelo Cern. Pelas boas-vindas recebidas aqui na UFSC. Aos meus colaboradores. Pela presença e atenção! Contato: e.g.oliveira@ufsc.br Pág. 57

58 Accounting for Sudakov In the evolution, one must not allow emission with k_t > k_0. One does that with the Sudakov factor: One for each incoming parton, with infrared cutoff: Pág. 58

59 Sudakov effects Pág. 59

60 Conclusion (1) New exclusive observable that can be measured at LHC. Proper treatment of Sudakov effects for the first time at NLO. Greatly reduced scale variation uncertainty. Pin down low x quark distributions. Pág. 60

61 Redefining partons Partons can be redefined using a scheme change. The scheme change works for inclusive observables (factorization theorem) For exclusive observables this does not work Difficult interpretation of the factorization scale Convergence may be and issue With the scheme change, NLO splitting functions will be redefined as well Pág. 61

62 Conclusion (3) New physical analyses is needed. It will be possible to include/study exclusive observables Simple understanding of factorization in a physical (virtuality) way. Pág. 62

63 Conclusion (2) For the first time a consistent NLO approach for quark masses in DGLAP evolution. Important change in the running of the coupling. New global analyses is needed. Study of charm in DIS. Pág. 63

64 Conclusion (4) Nuclear unintegrated pdfs calculated with correct log(q²) terms for the first time. Valid for all x and also for quarks. Comparison with log(x) approachs is needed. Pág. 64

65 GeV Pág. 65