Верхний кварк - Top quark

Топ-кварк
Top antitop quark event.svg
Событие столкновения с участием топ-кварков
Состав Элементарная частица
Статистика Фермионный
Поколение В третьих
Взаимодействия сильная , слабая , электромагнитная сила , гравитация
Символ
т
Античастица Топ антикварк (
т
)
Теоретически Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава (1973)
Обнаруженный Сотрудничество CDF и (1995)
Масса 172,76 ± 0,3 ГэВ / c 2
Распадается на нижний кварк (99,8%)
странный кварк (0,17%)
нижний кварк (0,007%)
Электрический заряд + 2/3 е
Цвет заряда да
Вращение 1/2
Топность 1
Слабый изоспин LH : +1/2, RH : 0
Слабый гиперзаряд LH : +1/3, RH : +4/3

Кварк , иногда также называют кварк истины , (символ: т) является наиболее массовым из всех наблюдаемых элементарных частиц . Он получает свою массу из-за связи с бозоном Хиггса . Эта связь очень близка к единице; в стандартной модели в физике элементарных частиц , это самый большой (сильный) сочетание в масштабе слабых взаимодействий и выше. Топ-кварк был открыт в 1995 году экспериментами CDF и D0 в Фермилабе .

Как и все другие кварки , топ-кварк представляет собой фермион со спином 1/2и участвует во всех четырех фундаментальных взаимодействиях : гравитации , электромагнетизме , слабых взаимодействиях и сильных взаимодействиях . Имеет электрический заряд +2/3 е . Она имеет массу в172,76 ± 0,3  ГэВ / c 2 , что близко к массе атома рения . Античастица топ - кварка является верхней антикварковой (символ: т , иногда называемый antitop кварка или просто antitop ), который отличается от него только в том , что некоторые его свойствах имеют равную величину , но противоположный знак .

Кварка взаимодействует с глюонов в сильном взаимодействии и , как правило , производится в адронных коллайдерах через это взаимодействие. Однако однажды созданная вершина (или антитопс) может разрушиться только под действием слабой силы . Он распадается на W-бозон и либо на нижний кварк (чаще всего), и на странный кварк , либо, в редких случаях, на нижний кварк .

Стандартная модель определяет среднее время жизни топ-кварка примерно5 × 10 −25  с . Это примерно двадцатая часть шкалы времени для сильных взаимодействий, и поэтому адроны не образуются , что дает физикам уникальную возможность изучить «голый» кварк (все другие кварки адронизируются , что означает, что они объединяются с другими кварками с образованием адронов и могут только наблюдаться как таковой).

Поскольку верхний кварк настолько массивен, его свойства позволили косвенно определить массу бозона Хиггса (см. Раздел «Масса и связь с бозоном Хиггса» ниже). Таким образом, свойства топ-кварка широко изучаются как средство различения конкурирующих теорий новой физики за пределами Стандартной модели. Топ-кварк - единственный кварк, который непосредственно наблюдался из-за того, что он распадается быстрее времени адронизации.

История

В 1973 году Макото Кобаяси и Тошихиде Маскава предсказали существование третьего поколения кварков, чтобы объяснить наблюдаемые нарушения CP в распаде каонов . Сверху и имена снизу были введены Хаим Харари в 1975 году, чтобы соответствовать имена первого поколения кварков ( вверх и вниз ) , что отражает тот факт , что оба были «вверх» и «вниз» компонента слабого изоспиновой дублета .

Предложение Кобаяси и Маскавы в значительной степени опиралось на механизм GIM, выдвинутый Шелдоном Ли Глэшоу , Джоном Илиопулосом и Лучано Майани , который предсказал существование тогда еще ненаблюдаемого очаровательного кварка . (Другой кварк второго поколения , странный кварк , был обнаружен уже в 1968 году.) Когда в ноябре 1974 года группы из Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) и Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) одновременно объявили об открытии J / ψ-мезона , Вскоре после этого оно было идентифицировано как связанное состояние пропавшего очаровательного кварка с его антикварком. Это открытие позволило механизму GIM стать частью Стандартной модели. С принятием механизма GIM предсказание Кобаяси и Маскавы также приобрело доверие. Их аргументы были дополнительно подкреплены открытием тау группой Мартина Льюиса Перла в SLAC в период с 1974 по 1978 год. Тау объявил о третьем поколении лептонов , нарушив новую симметрию между лептонами и кварками, введенную механизмом GIM. Восстановление симметрии подразумевало существование пятого и шестого кварков.

Фактически это было незадолго до того, как пятый кварк, нижний, был обнаружен экспериментальной группой E288 под руководством Леона Ледермана в Фермилабе в 1977 году. Это убедительно свидетельствует о том, что должен быть также шестой кварк, верхний, чтобы завершить пару. . Было известно, что этот кварк будет тяжелее дна, что потребует больше энергии для создания при столкновении частиц, но общее ожидание заключалось в том, что вскоре будет найден шестой кварк. Однако прошло еще 18 лет, прежде чем было подтверждено существование вершины.

Ранние поиски топ-кварка в SLAC и DESYГамбурге ) ни к чему не привели. Когда в начале 1980-х суперпротонный синхротрон (SPS) в ЦЕРН открыл W-бозон и Z-бозон , снова возникло ощущение, что открытие волчка неизбежно. Поскольку SPS выиграл конкуренцию у Тэватрона в Фермилабе, все еще не было никаких признаков пропавшей частицы, и группа в ЦЕРН объявила, что максимальная масса должна быть не менее41 ГэВ / c 2 . После гонки между ЦЕРНом и Фермилабом за обнаружение вершины ускоритель в ЦЕРНе достиг своих пределов, не создав ни единой вершины, что привело к увеличению нижней границы своей массы до77 ГэВ / c 2 .

Тэватрон был (до начала работы LHC в ЦЕРНе в 2009 году) единственным адронным коллайдером, достаточно мощным, чтобы производить топ-кварки. Чтобы иметь возможность подтвердить будущее открытие, к комплексу был добавлен второй детектор, детектор D0 (в дополнение к уже имеющемуся коллайдерному детектору в Фермилабе (CDF)). В октябре 1992 года две группы нашли свой первый намек на вершину, с одним событием творения, которое, казалось, содержало вершину. В последующие годы было собрано больше доказательств, и 22 апреля 1994 г. группа CDF представила свою статью, в которой были представлены предварительные доказательства существования топ-кварка с массой около175 ГэВ / c 2 . Тем временем DØ не нашел больше доказательств, чем предполагаемое событие 1992 года. Годом позже, 2 марта 1995 года, после сбора дополнительных доказательств и повторного анализа данных DØ (которые искали в поисках гораздо более легкой вершины), две группы совместно сообщили об открытии вершины массой176 ± 18 ГэВ / c 2 .

За годы, предшествовавшие открытию топ-кварка, было осознано, что некоторые прецизионные измерения масс электрослабых векторных бозонов и связей очень чувствительны к величине массы топ-кварка. Эти эффекты становятся намного больше для более высоких значений верхней массы и, следовательно, можно косвенно увидеть верхний кварк, даже если он не мог быть непосредственно обнаружен ни в одном эксперименте в то время. Наибольшее влияние масса топ-кварка оказала на параметр T , и к 1994 году точность этих косвенных измерений привела к предсказанию, что масса топ-кварка находится между145 ГэВ / c 2 и185 ГэВ / c 2 . Именно разработка методов, которые в конечном итоге позволили добиться таких точных расчетов, привели к тому, что Герардус т Хофт и Мартинус Велтман получили Нобелевскую премию по физике в 1999 году.

Характеристики

  • При конечной энергии тэватрона 1,96 ТэВ были получены пары вершина-антитоп с поперечным сечением около 7  пикобарн (pb). Стандартная модель прогнозирования (при следующем за лидирующим порядке с т т =175 ГэВ / c 2 ) составляет 6,7–7,5 пбн.
  • W-бозоны от распадов топ-кварков несут поляризацию от родительской частицы, поэтому выступают в качестве уникального зонда для определения верхней поляризации.
  • В Стандартной модели предсказывается, что у топ-кварка будет спиновое квантовое число 12 и электрический заряд + 23 . Первое измерение верхнего кварка заряда было опубликовано, в результате чего примерно 90% предела достоверности , что верхний заряд кварка действительно + 2 / 3 .

Производство

Поскольку топ-кварки очень массивны, для их создания требуется большое количество энергии. Единственный способ достичь таких высоких энергий - это столкновения высоких энергий. Они возникают естественным образом в верхних слоях атмосферы Земли, когда космические лучи сталкиваются с частицами в воздухе, или могут быть созданы в ускорителе частиц . В 2011 году, после того, как Тэватрон прекратил работу, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе стал единственным ускорителем, который генерирует пучок энергии, достаточной для производства топ-кварков, с энергией в центре масс 7 ТэВ. Существует несколько процессов, которые могут привести к производству топ-кварков, но их можно концептуально разделить на две категории: производство топ-пар и образование одиночных вершин.

Пары топ-кварков

глюон-глюонный синтез
т-канал
кварк-антикварковая аннигиляция

Наиболее распространенным является создание пары вершина-антитоп посредством сильных взаимодействий . При столкновении создается высокоэнергетический глюон , который впоследствии распадается на волчок и антитоп. Этот процесс был ответственен за большинство событий вершины на Тэватроне и наблюдался, когда вершина была впервые обнаружена в 1995 году. Также возможно образование пар вершина-антитоп посредством распада промежуточного фотона или Z-бозона . Однако предсказывается, что эти процессы будут происходить гораздо реже и иметь практически идентичную экспериментальную сигнатуру в адронном коллайдере, таком как Тэватрон.

Одиночные топ-кварки

s-канал
т-канал
ТВ канал

Производство одиночных топ-кварков посредством слабого взаимодействия - это совершенно другой процесс. Это может происходить несколькими способами (называемыми каналами): либо промежуточный W-бозон распадается на верхний и антидонный кварки («s-канал»), либо нижний кварк (вероятно, создаваемый в паре в результате распада глюона) превращается в топ-кварк путем обмена W-бозона на верхний или нижний кварк («t-канал»). Одиночный верхний кварк также может быть произведен в ассоциации с W-бозоном, для чего требуется нижний кварк в начальном состоянии («tW-канал»). Первое свидетельство этих процессов было опубликовано коллаборацией DØ в декабре 2006 г., а в марте 2009 г. коллаборации CDF и DØ опубликовали две статьи с подробным наблюдением за этими процессами. Основное значение измерения этих производственных процессов состоит в том, что их частота прямо пропорциональна | V tb | 2  компонент матрицы СКМ .

Разлагаться

конечные состояния ttbar-распада
Все возможные конечные состояния распада пары топ-кварков

Единственный известный способ распада верхнего кварка - это слабое взаимодействие с образованием W-бозона и нижнего кварка . Из-за своей огромной массы топ-кварк чрезвычайно недолговечен, его прогнозируемое время жизни составляет всего лишь5 × 10 −25  с . В результате топ-кварки не успевают распасться с образованием адронов, как это делают другие кварки. Отсутствие адрона, окружающего топ-кварк, дает физикам уникальную возможность изучить поведение «голого» кварка.

В частности, можно напрямую определить коэффициент ветвления Γ (W + b) / Γ (W + q | q = b, s, d) . Лучшее текущее определение этого отношения -0,91 ± 0,04 . Поскольку это соотношение равно | V tb | 2 согласно Стандартной модели , это дает другой способ определения элемента CKM  | V tb | , или в сочетании с определением | V tb | from single top production предоставляет тесты для предположения, что матрица CKM унитарна.

Стандартная модель также допускает более экзотические распады, но только на уровне одной петли, что означает, что они крайне редки. В частности, возможно, что топ-кварк может распасться на другой кварк восходящего типа (ап или чарм), испуская фотон или Z-бозон. Однако поиски этих экзотических мод распада не дали никаких доказательств того, что они происходят в соответствии с ожиданиями Стандартной модели. Коэффициенты ветвления для этих распадов были определены как менее 5,9 из 1000 для фотонного распада и менее 2,1 из 1000 для распада Z-бозона с достоверностью 95% .

Масса и связь с бозоном Хиггса

Стандартная модель генерирует фермионные массы за счет их взаимодействия с бозоном Хиггса . Этот бозон Хиггса действует как пространство, заполняющее поле. Фермионы взаимодействуют с этим полем пропорционально своим индивидуальным константам связи , что порождает массу. Частица с малой массой, такая как электрон, имеет крохотную связь , в то время как верхний кварк имеет наибольшую связь с Хиггсом . Эти связи обычно называются связями Хиггса – Юкавы , и они медленно меняются при изменении шкалы энергий, на которой они измеряются, из-за квантового эффекта, называемого ренормализационной группой .

В Стандартной модели все взаимодействия Хиггса – Юкавы между кварками и лептонами малы по сравнению с взаимодействием Юкавы с топ-кварками. Эта иерархия масс фермионов остается глубокой и открытой проблемой теоретической физики. Связи Хиггса-Юкавы не являются фиксированными константами природы, поскольку их значения меняются медленно, как шкала энергии (шкала расстояний), на которой они измеряются. Эта динамика связей Хиггса – Юкавы, называемая «бегущими константами связи», возникает из-за квантового эффекта, называемого ренормализационной группой .

Предполагается, что связи Хиггса – Юкавы верхних, нижних, очаровательных, странных и нижних кварков имеют малые значения на чрезвычайно высоком энергетическом уровне великого объединения, 10 15  ГэВ. Они увеличиваются в цене на более низких энергетических масштабах, на которых массы кварков генерируются Хиггсом. Небольшой рост обусловлен поправками от связи КХД . Поправки от юкавских взаимодействий пренебрежимо малы для кварков меньшей массы.

Одно из преобладающих представлений в физике элементарных частиц состоит в том, что размер взаимодействия Хиггса – Юкавы топ-кварка определяется уникальным нелинейным свойством уравнения ренормгруппы, которое описывает протекание большого взаимодействия Хиггса-Юкавы в верхнем кварке. Если кварковое взаимодействие Хиггса-Юкавы имеет большое значение при очень высоких энергиях, его поправки Юкавы будут эволюционировать вниз по шкале масс и сократятся против поправок КХД. Это известно как (квази) инфракрасная фиксированная точка , которая была впервые предсказана Б. Пендлтоном, Г. Г. Россом и К. Т. Хиллом. Независимо от начального начального значения сцепления, если оно достаточно велико, оно достигнет этого значения с фиксированной точкой. Затем предсказывается соответствующая масса кварка.

Юкавское взаимодействие топ-кварков расположено очень близко к фиксированной инфракрасной точке Стандартной модели. Уравнение ренормгруппы:

где g 3 - калибровочная связь по цвету, g 2 - слабая изоспиновая калибровочная связь, а g 1 - слабая калибровочная связь гиперзарядов. Это уравнение описывает, как связь Юкавы изменяется в зависимости от масштаба энергии  μ . Решения этого уравнения для больших начальных значений y t приводят к тому, что правая часть уравнения быстро приближается к нулю, привязывая y t к связи g 3 КХД .

Значение фиксированной точки топ-кварка довольно точно определено в Стандартной модели, что приводит к массе топ-кварка 220 ГэВ. Это примерно на 25% больше наблюдаемой максимальной массы и может указывать на новую физику в более высоких энергетических масштабах.

Квази-инфракрасная неподвижная точка впоследствии стала основой теорий конденсации топ-кварков и нарушения электрослабой симметрии, в которых бозон Хиггса является составным на чрезвычайно малых расстояниях, состоящим из пары топ-кварков и антитоп-кварков. Предсказанная масса топ-кварка лучше согласуется с фиксированной точкой, если есть дополнительные скаляры Хиггса помимо стандартной модели, и может указывать на то, что богатая спектроскопия новых полей Хиггса находится на энергетических масштабах, которые можно исследовать с помощью LHC и его усовершенствований. .

Смотрите также

Сноски

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки