제트 (입자물리학)

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1. 개요
2. 제트의 생성
- 2.1. 제트 생성 단면적
3. 제트 쪼개짐 (Jet Fragmentation)
- 3.1. 파톤 샤워와 DGLAP 방정식
- 3.2. 하드론화와 룬드 끈 모델
4. 적외선 및 공선 안전성
5. 제트 분석 기술 (한국어 문서의 '예' 부분)
참조

1. 개요

제트는 양자색역학(QCD) 하드 산란 과정에서 생성되는 쿼크나 글루온과 같은 입자들을 의미한다. 제트는 제트 생성 단면적으로 설명되며, 강입자 충돌에서 특정 제트 집합을 생성할 확률을 나타낸다. 제트 쪼개짐은 QCD 구속 때문에 제트 생성에서 나가는 글루온 또는 쿼크가 하드론화되는 현상을 말하며, 파톤 샤워와 DGLAP 방정식으로 설명된다. 제트 분석 기술은 제트 재구성, 제트 상관성, 풍미 꼬리표 붙이기(b 태깅) 등이 있으며, 고에너지 입자 충돌 실험에서 생성된 제트의 특성을 연구하는 데 사용된다.

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제트 (입자물리학)
입자 물리학
쿼크-글루온 플라스마의 예술적 표현
관련 주제	강한 상호작용 쿼크-글루온 플라스마 하드론화 제트 소멸
개요
설명	고에너지 입자 충돌에서 생성되는 입자의 좁은 원뿔형 분출
구성	쿼크 글루온 하드론
탐지 방법	칼로리미터 및 트랙 검출기를 사용하여 입자의 에너지와 운동량을 측정
중요성	쿼크와 글루온의 속성에 대한 정보 제공 강한 상호작용 연구에 사용 새로운 입자 및 현상 탐색에 사용
제트 현상
생성 메커니즘	고에너지 입자 (예: 쿼크, 글루온)가 생성된 후, 강한 상호작용에 의해 다른 입자들을 연쇄적으로 생성하며, 이들이 좁은 영역으로 집중되어 제트를 형성함.
하드론화	쿼크와 글루온은 단독으로 존재할 수 없기 때문에 하드론이라는 복합 입자로 뭉쳐짐. 이 과정을 하드론화라고 함.
제트 알고리즘	실험 데이터에서 제트를 식별하고 재구성하기 위해 사용되는 알고리즘. 예: anti-kt, Cambridge/Aachen.
제트의 용도	양자 색역학 (QCD) 테스트 힉스 보손과 같은 무거운 입자 검색 쿼크-글루온 플라스마 연구
추가 정보
관련 연구	제트 소멸 (Jet quenching): 쿼크-글루온 플라스마 내에서 제트가 에너지를 잃는 현상. 제트 서브구조 (Jet substructure): 제트 내부의 구조를 분석하여 제트를 구성하는 입자의 종류와 상호작용을 파악하는 연구.

2. 제트의 생성

제트는 양자색역학(QCD) 하드 산란 과정에서 생성되며, 높은 횡운동량을 가진 쿼크나 글루온, 또는 입자 모형에서 통칭하여 파트온을 생성한다.

특정 제트 집합을 생성할 확률은 제트 생성 단면적으로 설명되며, 이는 파톤 분포 함수로 가중된 기본 섭동 QCD 쿼크, 반쿼크, 글루온 과정의 평균값이다. 가장 빈번한 제트 쌍 생성 과정인 두 입자 산란의 경우, 강입자 충돌에서의 제트 생성 단면적은 계산이 복잡하다.

2. 1. 제트 생성 단면적

강입자 충돌에서 특정 제트 집합을 생성할 확률은 제트 생성 단면적으로 설명되며, 이는 파톤 분포 함수로 가중된 기본 섭동 QCD 쿼크, 반쿼크, 글루온 과정의 평균값이다. 제트 생성 단면적은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

:

\sigma_{ij \rightarrow k} = \sum_{i, j} \int d x_1 d x_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}},

여기서,

''x'', ''Q''²: 종운동량 분율 및 운동량 전달
$\hat{\sigma}_{ij \rightarrow k}$ : 반응 ''ij'' → ''k''에 대한 섭동 QCD 단면적
$f_i^a(x, Q^2)$ : 빔 ''a''에서 입자 종 ''i''를 찾기 위한 파톤 분포 함수

가장 빈번한 제트 쌍 생성 과정인 두 입자 산란의 경우, 강입자 충돌에서의 제트 생성 단면적 계산은 복잡하다. 기본 단면적

\hat{\sigma}

는 Peskin & Schroeder (1995)의 17.4절에서 섭동 이론의 주요 차수로 계산되었다. 파톤 분포 함수의 다양한 매개변수화와 몬테카를로 사건 발생기의 맥락에서 계산에 대한 검토는 T. Sjöstrand ''et al.'' (2003)의 7.4.1절에서 논의되었다.

3. 제트 쪼개짐 (Jet Fragmentation)

QCD 구속 때문에 제트 생성에서 나가는 글루온 또는 쿼크는 색전하가 없는 상태로 하드론화한다.

섭동 QCD 계산은 최종 상태에 유색 파톤을 가질 수 있지만, 궁극적으로 생성되는 무색 하드론만 실험적으로 관찰된다. 따라서, 주어진 과정의 결과로 검출기에서 관찰되는 것을 설명하기 위해, 모든 나가는 유색 파톤은 먼저 파톤 샤워를 겪은 다음, 생성된 파톤들을 하드론으로 결합해야 한다. 문헌에서는 소프트 QCD 방사, 하드론 형성, 또는 두 과정을 모두 설명하기 위해 '단편화'와 '하드론화'라는 용어를 종종 바꿔 사용한다.

하드 산란에서 생성된 파톤이 상호 작용을 벗어날 때, 강한 결합 상수는 분리되면서 증가한다. 이것은 QCD 방사의 확률을 증가시키며, 이는 시조 파톤에 대해 주로 얕은 각도를 이룬다. 따라서, 한 파톤은 글루온을 방출하고, 글루온은 다시 quark^영어anti-quark^영어 쌍 등을 방출하며, 각 새로운 파톤은 부모 파톤과 거의 공선형을 이룬다. 이는 파톤 밀도 함수 진화와 유사한 방식으로 단편화 함수로 스피너를 컨볼루션함으로써 설명할 수 있다. 이 현상은 Dokshitzer/Ю́рий Льво́вич До́кшицер^ru-그리보프-리파토프-알타렐리-파리시 (DGLAP) 방정식으로 기술된다.

: $\frac{\partial}{\partial\ln Q^2} D_{i}^{h}(x, Q^2) = \sum_{j} \int_{x}^{1} \frac{dz}{z} \frac{\alpha_S}{4\pi} P_{ji}\!\left(\frac{x}{z}, Q^2\right) D_{j}^{h}(z, Q^2)$

파톤 샤워는 연속적으로 낮은 에너지를 가진 파톤을 생성하여 결국에는 섭동 QCD의 유효 영역을 벗어나게 된다. 이후에는 현상학적 모델을 적용하여 샤워가 발생하는 시간 길이를 설명하고, 유색 파톤들을 무색 하드론의 결합된 상태로 결합해야 하는데, 이는 본질적으로 비섭동적이다. 많은 현대적인 사건 발생기에 구현된 룬드 끈 모델이 그 예시이다.

3. 1. 파톤 샤워와 DGLAP 방정식

하드 산란에서 생성된 파톤이 상호 작용을 벗어날 때, 강한 결합 상수는 분리되면서 증가한다. 이것은 QCD 방사의 확률을 증가시키며, 이는 시조 파톤에 대해 주로 얕은 각도를 이룬다. 따라서, 한 파톤은 글루온을 방출하고, 글루온은 다시 quark^영어anti-quark^영어 쌍 등을 방출하며, 각 새로운 파톤은 부모 파톤과 거의 공선형을 이룬다. 이는 파톤 밀도 함수 진화와 유사한 방식으로 단편화 함수로 스피너를 컨볼루션함으로써 설명할 수 있다. 이 현상은 Dokshitzer/Ю́рий Льво́вич До́кшицер^ru-그리보프-리파토프-알타렐리-파리시 (DGLAP) 방정식으로 기술된다.

:

\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)

파톤 샤워는 연속적으로 낮은 에너지를 가진 파톤을 생성하여 결국에는 섭동 QCD의 유효 영역을 벗어나게 된다. 이후에는 현상학적 모델을 적용하여 샤워가 발생하는 시간 길이를 설명하고, 유색 파톤들을 무색 하드론의 결합된 상태로 결합해야 하는데, 이는 본질적으로 비섭동적이다. 많은 현대적인 사건 발생기에 구현된 룬드 끈 모델이 그 예시이다.

3. 2. 하드론화와 룬드 끈 모델

파톤 샤워는 연속적으로 낮은 에너지를 가진 파톤을 생성하므로, 섭동 QCD의 유효성 영역을 벗어나야 한다. 그런 다음 현상학적 모델을 적용하여 샤워가 발생하는 시간 길이를 설명한 다음, 색전하를 띤 파톤들을 무색 하드론의 묶음 상태로 결합해야 하는데, 이는 본질적으로 비섭동적이다. 룬드 끈 모델은 많은 현대적인 사건 발생기에 구현되어 있다.

4. 적외선 및 공선 안전성

제트 알고리즘은 연성 방사(Soft Radiation)를 추가하도록 이벤트를 수정 한 후에도 동일한 제트 집합을 생성하면 적외선 안전하다고 한다. 마찬가지로, 제트 알고리즘은 입력 중 하나에 공선 분할(Collinear Splitting)을 도입 한 후 최종 제트 집합이 변경되지 않으면 공선 안전하다고 한다. 이러한 적외선 및 공선 안전성은 여러 가지 이유로 중요하다. 실험적으로, 제트는 시드 파톤(Parton)에 대한 정보를 전달하는 경우 유용하다. 시드 파톤은 생성될 때, 강입자화가 시작되기 전에 일련의 거의 공선적인 분할을 포함할 수 있는 파톤 샤워(Parton Shower)를 거칠 것으로 예상된다. 또한, 제트 알고리즘은 검출기 응답의 변동에 강해야 한다. 이론적으로, 제트 알고리즘이 적외선 및 공선 안전하지 않으면, 섭동 이론의 어떤 차수에서도 유한한 단면적을 얻을 수 있다고 보장할 수 없다.

5. 제트 분석 기술 (한국어 문서의 '예' 부분)

제트 분석은 고에너지 입자 충돌 실험에서 생성된 제트의 특성을 연구하는 데 사용되는 다양한 기술을 포함한다.

'''제트 재구성''': 검출기에서 측정된 입자들의 에너지와 운동량을 바탕으로 제트를 식별하고 재구성하는 과정이다. 대표적인 제트 재구성 알고리즘으로는 kT 알고리즘, 콘 알고리즘 등이 있다.
'''제트 상관성''': 여러 제트 간의 상관관계를 분석하여 제트 생성 메커니즘 및 QCD 현상을 연구하는 방법이다.
'''풍미(flavor) 꼬리표 붙이기 (b 태깅)''': 제트를 구성하는 쿼크의 종류(풍미)를 식별하는 기술이다. b-태깅(b-tagging)은 바닥 쿼크(bottom quark)를 포함하는 제트를 식별하는 데 사용되는 대표적인 풍미 꼬리표 붙이기 기술이다.

제트 분석 기술
제트 재구성
제트 상관성
풍미(flavor) 꼬리표 붙이기 (b 태깅)

5. 1. 제트 재구성

제트 재구성은 검출기에서 측정된 입자들의 에너지와 운동량을 바탕으로 제트를 식별하고 재구성하는 과정이다. 대표적인 제트 재구성 알고리즘으로는 kT 알고리즘, 콘 알고리즘 등이 있다.

5. 2. 제트 상관성

제트 상관성은 여러 제트 간의 상관관계를 분석하여 제트 생성 메커니즘 및 QCD 현상을 연구하는 방법이다.

제트 분석 기술
제트 재구성
제트 상관성
풍미(flavor) 꼬리표 붙이기 (b 태깅)

5. 3. 풍미 꼬리표 붙이기 (Flavor Tagging)

풍미 꼬리표 붙이기는 제트를 구성하는 쿼크의 종류(풍미)를 식별하는 기술이다. b-태깅(b-tagging)은 바닥 쿼크(bottom quark)를 포함하는 제트를 식별하는 데 사용되는 대표적인 풍미 꼬리표 붙이기 기술이다.

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