Proceso Drell-Yan: Perspectivas de QCD, Dinámica de Partones y Datos de Colisionadores. Un análisis básico y aplicaciones en la física de partículas.
Proceso Drell-Yan: Perspectivas de QCD, Dinámica de Partones y Datos de Colisionadores
El proceso Drell-Yan es un fenómeno fundamental en la física de partículas que involucra la producción de pares de partículas a través de la colisión de dos hadrones. Nombrado en honor a los físicos Sidney Drell y Tung-Mow Yan, este proceso es crucial para estudiar la estructura interna de los hadrones y la dinámica de los quarks y gluones que los componen. En este artículo, exploraremos los aspectos teóricos y experimentales del proceso Drell-Yan, destacando su relación con la Cromodinámica Cuántica (QCD), la dinámica de partones y los datos obtenidos en colisionadores.
Fundamentos del Proceso Drell-Yan
El proceso Drell-Yan se puede describir en términos generales como la producción de un par de leptones, típicamente un electrón y un positrón (e–e+), a partir de la colisión de dos hadrones, como dos protones (pp) o un protón y un antiprotones (p\(\overline{p}\)). El mecanismo básico se puede entender a través de la interacción de un quark de un hadrón con un antiquark del otro hadrón, mediada por un bosón vectorial como el fotón (γ) o el bosón Z. Este proceso puede ser representado esquemáticamente por:
q1 + \(\overline{\)q2\(\rightarrow Z/γ^*\rightarrow l^+l^-\)
Donde q1 y \(\overline{\)q2\) representan los quarks y antiquarks iniciales, y l+ y l– representan los leptones finales (positrón y electrón en este caso).
Cromodinámica Cuántica (QCD)
La QCD es la teoría que describe las interacciones fuertes entre quarks y gluones, que son las partículas fundamentales que forman los hadrones. En el contexto del proceso Drell-Yan, la QCD es esencial para entender cómo los quarks y gluones distribuyen su momento dentro de los hadrones. Esta distribución se describe mediante funciones de distribución de partones (PDFs, por sus siglas en inglés), que proporcionan la probabilidad de encontrar un quark o gluón con un cierto fracción de momento del hadrón. Matemáticamente, la sección eficaz \(σ\) del proceso Drell-Yan puede ser expresada en términos de estas PDFs:
\(dσ = \sum_{q} \int dx_1 dx_2 \ f_{q/h1}(x_1, Q^2) \ f_{\overline{q}/h2}(x_2, Q^2) \ \hat{σ}(x_1, x_2, Q^2)\)
Donde \(f_{q/h1}\) y \(f_{\overline{q}/h2}\) representan las PDFs del quark y antiquark dentro de los hadrones h1 y h2, respectivamente. La sección eficaz partónica \(\hat{σ}\) se calcula utilizando la teoría perturbativa de QCD.
Dinámica de Partones
La dinámica de partones se refiere al comportamiento de los quarks y gluones dentro de los hadrones durante una colisión. En el caso del proceso Drell-Yan, la dinámica de partones es crucial para entender cómo la colisión entre quarks y antiquarks puede llevar a la producción de pares de leptones. Esta dinámica está influenciada por diversos efectos, como la evolución de las PDFs con la escala de energía \(Q^2\). Esta evolución se describe mediante las ecuaciones de DGLAP (Dokshitzer-Gribov-Lipatov-Altarelli-Parisi):
\(\frac{d f_i(x, Q^2)}{d \ln Q^2} = \sum_{j} \int_x^1 \frac{dy}{y} \ P_{ij}(y, α_s(Q^2)) \ f_j \left(\frac{x}{y}, Q^2\right) \)
Aquí, \(P_{ij}(y, α_s(Q^2))\) son las funciones de descomposición que representan la probabilidad de que una partícula partón tipo \(j\) se transforme en una partícula tipo \(i\) con una fracción de momento \(y\). La constante de acoplamiento fuerte, \(α_s(Q^2)\), decrece con la escala \(Q^2\), reflejando la propiedad de “libertad asintótica” de la QCD.
Datos de Colisionadores
Los colisionadores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, son herramientas esenciales para estudiar el proceso Drell-Yan. Estos dispositivos permiten la colisión de protones a energías extremadamente altas, proporcionando datos experimentales que pueden ser comparados con predicciones teóricas. A través del análisis de estos datos, los físicos pueden mejorar las PDFs, ajustar modelos de QCD y buscar signos de nueva física más allá del Modelo Estándar. Uno de los atributos esenciales de los colisionadores modernos es su capacidad para medir con gran precisión la producción de pares de leptones, lo que permite pruebas muy sensibles de las teorías de QCD.
Un aspecto crucial en el análisis de datos de colisionadores es la identificación y reducción de fondos (backgrounds), que pueden imitar la señal del proceso Drell-Yan. Entre estos fondos se incluyen procesos como la producción de pares de jets de alta energía, que pueden confundirse con los pares de leptones del evento Drell-Yan.