عملية دريل-يان

تحدث عملية دريل -يان في تفاعلات تشتت الهادرونات عالية الطاقة . وتحدث عندما يفني كوارك من هادرون مع مضاد كوارك من هادرون آخر، مُنتجًا فوتونًا افتراضيًا أو بوزون Z الذي يتحلل بدوره إلى زوج من اللبتونات ذات الشحنات المتعاكسة . ومن المهم أن طاقة زوج الكوارك-مضاد الكوارك المتصادم يمكن تحويلها بالكامل تقريبًا إلى كتلة جسيمات جديدة. وقد اقترح سيدني دريل وتونغ -مو يان هذه العملية لأول مرة عام 1970 ^{[ 1 ]} لوصف إنتاج أزواج اللبتونات- مضادات اللبتونات في تصادمات الهادرونات عالية الطاقة. تجريبيًا، رُصدت هذه العملية لأول مرة بواسطة جيه إتش كريستنسون وآخرون ^{[ 2 ]} في تصادمات البروتون-اليورانيوم في مسرع التدرج المتناوب .

تُدرس عملية دريل-يان في كلٍ من التجارب ذات الهدف الثابت وتجارب المصادمات. وهي تُوفر معلومات قيّمة حول دوال توزيع البارتونات (PDFs) التي تصف كيفية توزيع زخم النيوكليون الوارد عالي الطاقة بين البارتونات المكونة له. تُعد دوال توزيع البارتونات هذه عناصر أساسية لحساب جميع العمليات تقريبًا في مصادمات الهادرونات. على الرغم من أنه من المفترض أن تكون دوال توزيع البارتونات قابلة للاشتقاق من حيث المبدأ، إلا أن الجهل الحالي ببعض جوانب القوة النووية القوية يحول دون ذلك. وبدلًا من ذلك، تُستنتج صيغ دوال توزيع البارتونات من البيانات التجريبية.

تُحدد دوال كثافة الاحتمال باستخدام بيانات العالم من التشتت غير المرن العميق ، وعملية دريل-يان، وغيرها. ترتبط عملية دريل-يان ارتباطًا وثيقًا بالتشتت غير المرن العميق؛ ويُحصل على مخطط فاينمان لعملية دريل-يان بتدوير مخطط فاينمان للتشتت غير المرن العميق بزاوية 90 درجة. يُنتج فوتون افتراضي زمني أو بوزون Z في القناة s في عملية دريل-يان، بينما يُنتج فوتون افتراضي مكاني أو بوزون Z في القناة t في التشتت غير المرن العميق.

كان يُعتقد سابقًا، بسذاجة، أن بحر الكواركات في البروتون يتشكل بفعل عمليات الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) التي لا تُميز بين الكواركات العلوية والسفلية. مع ذلك، أظهرت نتائج التشتت غير المرن العميق للميونات عالية الطاقة على هدفين من البروتون والديوترون، بواسطة مركز CERN-NMC ^{[ 3 ] [ 4 ]،} أن عدد الكواركات السفلية (d ) في البروتون يفوق عدد الكواركات العلوية (u ). بلغ مجموع غوتفريد، الذي قاسه مركز NMC، 0.235±0.026، وهو أقل بكثير من القيمة المتوقعة البالغة 1/3. هذا يعني أن تكامل d ( x ) - u ( x ) على قيمة بيوركن x من 0 إلى 1.0 يساوي 0.147±0.039، مما يشير إلى عدم تناظر في نكهة بحر الكواركات في البروتون. وقد استكشفت قياسات حديثة باستخدام تشتت دريل-يان عدم تناظر نكهة البروتون. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} بالنسبة للرتبة الأولى في ثابت اقتران التفاعل القوي، α _s ، يُعطى المقطع العرضي لدريل-يان بالعلاقة التالية

${\displaystyle {\frac {d^{2}\sigma }{dx_{1}dx_{2}}}={\frac {4\pi \alpha }{9sx_{1}x_{2}}}\sum _{i\in u,d,s,\cdots }e_{i}^{2}\left[q_{i}^{A}(x_{1}){\bar {q}}_{i}^{B}(x_{2})+{\bar {q}}_{i}^{A}(x_{1})q_{i}^{B}(x_{2})\right]}$

أين${\displaystyle \alpha }$هو ثابت البنية الدقيقة ،${\displaystyle s}$هي مربع طاقة مركز الكتلة،${\displaystyle e_{i}}$هي شحنة الكوارك ذات النكهة${\displaystyle i}$، و${\displaystyle q_{i}^{A,B}(x_{1,2})}$لنرمز إلى دالة توزيع البارتونات في الهادرونات${\displaystyle A}$والهادرون${\displaystyle B}$، مع الزخم${\displaystyle x_{1}}$و${\displaystyle x_{2}}$على التوالي. وبالمثل${\displaystyle {\bar {q}}_{i}^{A,B}(x_{1,2})}$يشير إلى توزيعات الكواركات المضادة.

باستخدام تناظر الأيزوسبين ، ترتبط دوال توزيع البارتونات للبروتون والنيوترون على النحو التالي:

${\displaystyle {\begin{aligned}u(x)&\equiv u^{p}(x)=d^{n}(x)\\d(x)&\equiv d^{p}(x)=u^{n}(x)\\{\bar {u}}(x)&\equiv {\bar {u}}^{p}(x)={\bar {d}}^{n}(x)\\{\bar {d}}(x)&\equiv d^{p}(x)={\bar {u}}^{n}(x)\\\end{aligned}}}$

لذلك، يمكن كتابة المقطع العرضي لتفاعل دريل-يان بين البروتون الموجود على الديوتيريوم والبروتون الموجود على الهيدروجين على النحو التالي:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\sigma ^{pd}}{2\sigma ^{pp}}}&={\frac {\sigma ^{pn}+\sigma ^{pp}}{2\sigma ^{pp}}}\\&={\frac {1}{2}}\left[1+{\frac {4u(x_{1}){\bar {d}}(x_{2})+d(x_{1}){\bar {u}}(x_{2})}{4u(x_{1}){\bar {u}}(x_{2})+d(x_{1}){\bar {d}}(x_{2})}}\right]\end{aligned}}}$

باستخدام حقيقة وجود المزيد${\displaystyle u}$بالنسبة للكواركات في البروتون، يمكن تقريب هذه النسبة على النحو التالي:

${\displaystyle {\frac {\sigma ^{pd}}{2\sigma ^{pp}}}\approx {\frac {1}{2}}\left[1+{\frac {{\bar {d}}(x_{2})}{{\bar {u}}(x_{2})}}\right]}$

أين${\displaystyle {\bar {d}}(x)}$و${\displaystyle {\bar {u}}(x)}$توزيعات الكواركات المضادة للأسفل والمضادة للأعلى في بحر البروتونات و${\displaystyle x}$هو بيوركن-${\displaystyle x}$متغير القياس (نسبة زخم الكوارك المستهدف في نموذج البارتون ). ^{[ 5 ] [ 8 ]}

يُتيح إنتاج بوزونات Z من خلال عملية دريل-يان فرصة لدراسة اقترانات بوزون Z بالكواركات . وتتمثل السمة الرئيسية القابلة للملاحظة في عدم التناظر الأمامي-الخلفي في التوزيع الزاوي للبتونين في إطار مركز كتلتهما .

إذا كانت هناك بوزونات قياس محايدة أثقل (انظر بوزونات W′ و Z′ )، فقد يتم اكتشافها كذروة في طيف الكتلة الثابتة للديليبتون بنفس الطريقة التي يظهر بها بوزون Z القياسي بفضل عملية دريل-يان.

على الرغم من إمكانية الوصول إلى عمليات الديناميكا اللونية الكمومية عالية الطاقة عبر نظرية الاضطراب ، فإن تأثيرات الطاقة المنخفضة، مثل تكوين الهادرونات، لا تزال مفهومة فقط من منظور ظاهري. ولأن الفوتونات الافتراضية وبوزونات Z غير قادرة على نقل الشحنات اللونية، يمكن دراسة خصائص الحدث الأساسي بفعالية في مختارات من تجارب دريل-يان.${\displaystyle Z^{0}(\gamma ^{*})\to \ell ^{+}\ell ^{-}}$في هذه الحالات، يتم تجاهل الخلفية الهادرونية. ^{[ 9 ]} ما يتبقى هو الحدث الأساسي النقي، غير المتأثر بفيزياء عملية دريل-يان الصعبة. قد تعاني العمليات الأخرى من مشاكل في تحديد الهوية، لأنها قد تنتج أيضًا نفاثات هادرونية في العملية الصعبة.

• مختبر فيرميلاب E-906/سيكويست