stringtranslate.com

Верхний кварк

Топ-кварк , иногда также называемый кварком истины (символ: t), является самой массивной из всех наблюдаемых элементарных частиц . Он получает свою массу от своей связи с полем Хиггса . Эта связь y t очень близка к единице; в Стандартной модели физики элементарных частиц это самая большая (сильная) связь в масштабе слабых взаимодействий и выше. Топ-кварк был открыт в 1995 году экспериментами CDF [2] и DØ [3] в Фермилабе .

Как и все другие кварки , верхний кварк является фермионом со спином 1/2 и участвует во всех четырех фундаментальных взаимодействиях : гравитации , электромагнетизме , слабых взаимодействиях и сильных взаимодействиях . Он имеет электрический заряд + ⁠ 2 /3⁠  е . Он имеет массу172,76 ± 0,3  ГэВ/ c2 , [1] что близко к массе атома рения . [4] Античастицей топ -кварка является топ-антикварк (символ: t , иногда называемый антитоп-кварком или просто антитопом ), который отличается от него только тем, что некоторые его свойства имеют равную величину, но противоположный знак .

Верхний кварк взаимодействует с глюонами сильного взаимодействия и обычно образуется в адронных коллайдерах посредством этого взаимодействия. Однако, будучи образованным, верхний (или антиверхний) может распадаться только посредством слабого взаимодействия . Он распадается на W-бозон и либо нижний кварк (чаще всего), либо странный кварк , либо, в самых редких случаях, нижний кварк . [a]

Стандартная модель определяет среднее время жизни верхнего кварка примерно как5 × 10−25  с . [5] Это составляет примерно двадцатую часть шкалы времени сильных взаимодействий, [b] и, следовательно, оно не образует адроны , давая физикам уникальную возможность изучить «голый» кварк (все остальные кварки адронизируются , что означает, что они объединяются с другими кварками, образуя адроны , и могут наблюдаться только как таковые).

Поскольку верхний кварк настолько массивен, его свойства позволили косвенно определить массу бозона Хиггса (см. § Масса и связь с бозоном Хиггса ниже). Таким образом, свойства верхнего кварка широко изучаются как средство для различения конкурирующих теорий новой физики за пределами Стандартной модели. Верхний кварк является единственным кварком, который наблюдался напрямую, поскольку время его распада короче времени адронизации. [b] [6]

История

В 1973 году Макото Кобаяши и Тосихидэ Маскава предсказали существование третьего поколения кварков для объяснения наблюдаемых нарушений CP в распаде каона . Названия top и bottom были введены Хаимом Харари в 1975 году, [7] [8] чтобы соответствовать названиям первого поколения кварков ( up и down ), отражая тот факт, что эти два были компонентами «up» и «down» слабого изоспинового дублета . [9] [10]

Предложение Кобаяши и Маскавы в значительной степени опиралось на механизм GIM, предложенный Шелдоном Глэшоу , Джоном Илиопулосом и Лучано Майани , [11] , который предсказал существование тогда еще не обнаруженного очарованного кварка . (Прямые доказательства существования кварков, включая другой кварк второго поколения , странный кварк , были получены в 1968 году; странные частицы были открыты еще в 1947 году.) Когда в ноябре 1974 года команды из Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) и Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) одновременно объявили об открытии мезона J/ψ , вскоре он был идентифицирован как связанное состояние отсутствующего очарованного кварка с его антикварком. Это открытие позволило механизму GIM стать частью Стандартной модели. [12] С принятием механизма GIM предсказание Кобаяши и Маскавы также приобрело большую достоверность. Их аргументы были еще больше подкреплены открытием тау группой Мартина Льюиса Перла в SLAC между 1974 и 1978 годами. [13] Тау возвестил о третьем поколении лептонов , нарушив новую симметрию между лептонами и кварками, введенную механизмом GIM. Восстановление симметрии подразумевало существование пятого и шестого кварка.

На самом деле, прошло совсем немного времени, прежде чем в 1977 году экспериментальная группа E288 под руководством Леона Ледермана в Фермилабе открыла пятый кварк, нижний. [14] [15] [16] Это наводило на мысль, что должен быть и шестой кварк, верхний, чтобы завершить пару. Было известно, что этот кварк будет тяжелее нижнего, требуя больше энергии для создания при столкновениях частиц, но общее ожидание состояло в том, что шестой кварк будет вскоре обнаружен. Однако потребовалось еще 18 лет, прежде чем существование верхнего было подтверждено. [17]

Ранние поиски верхнего кварка в SLAC и DESY (в Гамбурге ) не увенчались успехом. Когда в начале 1980-х годов суперпротонный синхротрон (SPS) в ЦЕРНе открыл W-бозон и Z-бозон , снова возникло ощущение, что открытие верхнего кварка неизбежно. Когда SPS получил конкуренцию от Теватрона в Фермилабе, все еще не было никаких признаков пропавшей частицы, и группа в ЦЕРНе объявила, что верхняя масса должна быть по крайней мере41 ГэВ/ с 2. После гонки между ЦЕРН и Фермилабом за открытие вершины ускоритель в ЦЕРНе достиг своих пределов, не создав ни одной вершины, что подняло нижнюю границу его массы до77 ГэВ/ c2 . [ 17]

Теватрон был (до начала работы LHC в ЦЕРНе в 2009 году) единственным адронным коллайдером, достаточно мощным для производства верхних кварков. Для того чтобы иметь возможность подтвердить будущее открытие, к комплексу был добавлен второй детектор, детектор DØ (в дополнение к уже имеющемуся детектору коллайдера в Фермилабе (CDF)). В октябре 1992 года обе группы обнаружили первый намек на верх, с единственным событием создания, которое, по-видимому, содержало верх. В последующие годы было собрано больше доказательств, и 22 апреля 1994 года группа CDF представила свою статью, в которой представила предварительные доказательства существования верхнего кварка с массой около175 ГэВ/ с2 . В то же время, DØ не нашла никаких дополнительных доказательств, кроме предполагаемого события в 1992 году. Год спустя, 2 марта 1995 года, собрав больше доказательств и повторно проанализировав данные DØ (которые были исследованы на предмет гораздо более легкой вершины), две группы совместно сообщили об открытии вершины с массой176 ± 18 ГэВ/ c2 . [2] [ 3] [17]

В годы, предшествовавшие открытию топ-кварка, было осознано, что некоторые точные измерения масс и связей электрослабых векторных бозонов очень чувствительны к значению массы топ-кварка. Эти эффекты становятся намного больше для более высоких значений топ-массы и, следовательно, могли косвенно увидеть топ-кварк, даже если его нельзя было напрямую обнаружить ни в одном эксперименте в то время. Наибольший эффект от массы топ-кварка был на параметре T , и к 1994 году точность этих косвенных измерений привела к предсказанию массы топ-кварка, которая должна быть между145 ГэВ / c2 и185 ГэВ/ c2 . [17] Именно развитие методов, которые в конечном итоге позволили проводить такие точные вычисления, привело к тому, что Герардус 'т Хоофт и Мартинус Вельтман получили Нобелевскую премию по физике в 1999 году. [18] [19]

Характеристики

Производство

Поскольку топ-кварки очень массивны, для их создания требуется большое количество энергии. Единственный способ достичь таких высоких энергий — это высокоэнергетические столкновения. Они происходят 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 Теватрон прекратил работу, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе стал единственным ускорителем, который генерирует пучок достаточной энергии для создания топ-кварков с энергией в центре масс 7 ТэВ. Существует множество процессов, которые могут привести к созданию топ-кварков, но их можно концептуально разделить на две категории: создание топ-пары и создание одиночной топ-частицы.

Топ-кварковые пары

Наиболее распространенным является создание пары топ–антитоп посредством сильных взаимодействий . При столкновении создается высокоэнергетический глюон , который впоследствии распадается на топ и антитоп. Этот процесс был ответственен за большинство событий топа на Тэватроне и был процессом, наблюдавшимся, когда топ был впервые обнаружен в 1995 году. [22] Также возможно создание пар топ–антитоп посредством распада промежуточного фотона или Z-бозона . Однако предсказывается, что эти процессы будут гораздо более редкими и будут иметь практически идентичную экспериментальную сигнатуру в адронном коллайдере, таком как Тэватрон.

Одиночные топ-кварки

Производство отдельных верхних кварков посредством слабого взаимодействия — это совершенно другой процесс. Это может происходить несколькими способами (называемыми каналами): либо промежуточный W-бозон распадается на верхний и антинижний кварки («s-канал»), либо нижний кварк (вероятно, созданный в паре посредством распада глюона) превращается в верхний кварк путем обмена W-бозона с верхним или нижним кварком («t-канал»). Один верхний кварк также может быть произведен совместно с W-бозоном, требуя нижнего кварка в начальном состоянии («tW-канал»). Первые доказательства этих процессов были опубликованы коллаборацией DØ в декабре 2006 года [23] , а в марте 2009 года коллаборации CDF [24] и DØ [22] опубликовали статьи-близнецы с окончательным наблюдением этих процессов. Главное значение измерения этих процессов производства заключается в том, что их частота прямо пропорциональна компоненте | V tb | 2  матрицы CKM .

Разлагаться

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

Единственный известный способ распада верхнего кварка — это слабое взаимодействие , в результате которого образуются W-бозон и нижний кварк . [a] Из-за своей огромной массы верхний кварк чрезвычайно короткоживущий, с прогнозируемым временем жизни всего5 × 10−25  с . [5] В результате у топ-кварков нет времени, прежде чем они распадутся с образованием адронов, как это происходит с другими кварками. [b] Отсутствие адрона, окружающего топ-кварк, предоставляет физикам уникальную возможность изучать поведение «голого» кварка.

В частности, можно напрямую определить коэффициент разветвления :

Наилучшим текущим определением этого соотношения является0,957 ± 0,034 . [25] Поскольку это отношение равно | V tb | 2 согласно Стандартной модели , это дает другой способ определения элемента CKM  | V tb | , или в сочетании с определением | V tb | из единичного производства обеспечивает проверку предположения, что матрица CKM является унитарной. [26]

Стандартная модель также допускает более экзотические распады, но только на уровне одной петли, что означает, что они чрезвычайно редки. В частности, возможно, что верхний кварк может распасться на другой кварк верхнего типа (верхний или очаровательный), испуская фотон или Z-бозон. [27] Однако поиски этих экзотических режимов распада не дали никаких доказательств того, что они происходят, в соответствии с ожиданиями Стандартной модели. Коэффициенты ветвления для этих распадов были определены как менее 1,8 из 10000 для фотонного распада и менее 5 из 10000 для распада Z-бозона с 95% достоверностью . [25]

Масса и связь с бозоном Хиггса

Стандартная модель генерирует фермионные массы через их связи с бозоном Хиггса . Этот бозон Хиггса действует как поле, заполняющее пространство. Фермионы взаимодействуют с этим полем пропорционально их индивидуальным константам связи y i , что генерирует массу. Частица с малой массой, такая как электрон , имеет ничтожно малую связь y electronic =2 × 10−6 , в то время как верхний кварк имеет наибольшую связь с Хиггсом, y t ≈ 1 .

В Стандартной модели все кварковые и лептонные связи Хиггса–Юкавы малы по сравнению со связью Юкавы топ-кварка. Эта иерархия в массах фермионов остается глубокой и открытой проблемой в теоретической физике. Связи Хиггса–Юкавы не являются фиксированными константами природы, поскольку их значения медленно изменяются в зависимости от масштаба энергии (шкалы расстояний), на котором они измеряются. Эта динамика связей Хиггса–Юкавы, называемая «бегущими константами связи», обусловлена ​​квантовым эффектом, называемым группой перенормировки .

Предполагается, что взаимодействия Хиггса-Юкавы верхнего, нижнего, очарованного, странного и b-кварков имеют малые значения в чрезвычайно высоком энергетическом масштабе великого объединения,10 15  ГэВ . Они увеличиваются в значении на более низких энергетических масштабах, на которых массы кварков генерируются Хиггсом. Небольшой рост обусловлен поправками от связи КХД . Поправки от связей Юкавы пренебрежимо малы для кварков с более низкой массой.

Одной из преобладающих точек зрения в физике элементарных частиц является то, что размер связи Хиггса-Юкавы с верхним кварком определяется уникальным нелинейным свойством уравнения группы ренормализации , которое описывает работу большой связи Хиггса-Юкавы верхнего кварка. Если связь Хиггса-Юкавы с кварком имеет большое значение при очень высоких энергиях, ее поправки Юкавы будут уменьшаться в масштабе масс и сокращаться по сравнению с поправками КХД. Это известно как (квази-) инфракрасная фиксированная точка , которая была впервые предсказана Б. Пендлтоном и Г. Г. Россом [28] и Кристофером Т. Хиллом [ 29]. Независимо от того, каково начальное начальное значение связи, если оно достаточно велико, оно достигнет этого значения фиксированной точки. Затем предсказывается соответствующая масса кварка.

Связь Юкавы с топ-кварком лежит очень близко к инфракрасной фиксированной точке Стандартной модели. Уравнение группы ренормализации имеет вид:

где g 3 — цветовая калибровочная связь, g 2 — слабая изоспиновая калибровочная связь, а g 1 — слабая гиперзарядовая калибровочная связь. Это уравнение описывает, как связь Юкавы изменяется с масштабом энергии  μ . Решения этого уравнения для больших начальных значений y t приводят к тому, что правая часть уравнения быстро приближается к нулю, фиксируя y t на связи QCD g 3 .

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

Квазиинфракрасная фиксированная точка впоследствии стала основой теории конденсации топ-кварков и топ-цветных теорий нарушения электрослабой симметрии, в которых бозон Хиггса состоит из пары топ-кварков и антитоп-кварков. Предсказанная масса топ-кварка лучше согласуется с фиксированной точкой, если есть дополнительные скаляры Хиггса за пределами стандартной модели, и поэтому это может намекать на богатую спектроскопию новых полей Хиггса в энергетических масштабах, которые можно исследовать с помощью LHC и его усовершенствований. [30] [31]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ ab Подавляющее большинство распадов верхнего кварка производит нижний кварк , масса которого наиболее близка к массе верхнего. В очень редких случаях он может распадаться на странный кварк ; почти никогда на нижний кварк .
  2. ^ abc Распад топ-кварка — исключительный пример слабого процесса , который происходит быстрее сильного взаимодействия .

Ссылки

  1. ^ ab Zyla, PA; et al. ( Particle Data Group ) (2020). "Обзор физики элементарных частиц 2020 года". Прогресс теоретической и экспериментальной физики : 083C01.
  2. ^ ab Abe, F.; et al. ( CDF Collaboration ) (1995). "Наблюдение за образованием топ-кварка в
    п

    п
    столкновения с коллайдером-детектором в Фермилабе». Physical Review Letters . 74 (14): 2626–2631. arXiv : hep-ex/9503002 . Bibcode : 1995PhRvL..74.2626A. doi : 10.1103/PhysRevLett.74.2626. PMID  10057978. S2CID  119451328.
  3. ^ ab Abachi, S.; et al. ( DØ Collaboration ) (1995). "Наблюдение за верхним кварком". Physical Review Letters . 74 (14): 2632–2637. arXiv : hep-ex/9503003 . Bibcode : 1995PhRvL..74.2632A. doi : 10.1103/PhysRevLett.74.2632. PMID  10057979. S2CID  42826202.
  4. ^ Элерт, Гленн. «Квантовая хромодинамика». The Physics Hypertextbook . Получено 23 марта 2019 г.
  5. ^ ab Quadt, A. (2006). "Физика верхних кварков на адронных коллайдерах". European Physical Journal C. 48 ( 3): 835–1000. Bibcode : 2006EPJC...48..835Q. doi : 10.1140/epjc/s2006-02631-6. S2CID  121887478.
  6. ^ Обер, Жан-Жак; Гастманс, Раймон; Жерар, Жан-Марк (6 декабря 2012 г.). Физика элементарных частиц: идеи и последние разработки. Springer, Дордрехт. стр. 69. ISBN 978-0-7923-6436-8. Получено 11 июня 2020 г. .
  7. ^ Харари, Х. (1975). «Новая кварковая модель для адронов». Physics Letters B. 57 ( 3): 265. Bibcode : 1975PhLB...57..265H. doi : 10.1016/0370-2693(75)90072-6.
  8. ^ Staley, KW (2004). Доказательства существования топ-кварка. Cambridge University Press . С. 31–33. ISBN 978-0-521-82710-2.
  9. ^ Перкинс, Д. Х. (2000). Введение в физику высоких энергий . Cambridge University Press . стр. 8. ISBN 978-0-521-62196-0.
  10. ^ Клоуз, Ф. (2006). Новый космический лук . CRC Press . стр. 133. ISBN 978-1-58488-798-0.
  11. ^ Glashow, SL; Iliopoulous, J.; Maiani, L. (1970). «Слабые взаимодействия с симметрией лептон–адрона». Physical Review D. 2 ( 7): 1285–1292. Bibcode :1970PhRvD...2.1285G. doi :10.1103/PhysRevD.2.1285.
  12. ^ Пикеринг, А. (1999). Построение кварков: социологическая история физики элементарных частиц . Издательство Чикагского университета . С. 253–254. ISBN 978-0-226-66799-7.
  13. ^ Перл, МЛ; и др. (1975). «Доказательства аномального производства лептонов в
    е+

    е−
    аннигиляция". Physical Review Letters . 35 (22): 1489. Bibcode : 1975PhRvL..35.1489P. doi : 10.1103/PhysRevLett.35.1489.
  14. ^ "Открытие нижнего кварка" (пресс-релиз). Открытия в Фермилабе. Фермилаб . 7 августа 1977 г. Получено 24 июля 2009 г.
  15. ^ Ледерман, Л. М. (2005). "Бортовой журнал: Нижний кварк". Symmetry Magazine . Том 2, № 8. Архивировано из оригинала 4 октября 2006 г.
  16. ^ Herb, SW; et al. (1977). "Наблюдение резонанса ди-мюона при 9,5 ГэВ в столкновениях протонов с ядрами при 400 ГэВ". Physical Review Letters . 39 (5): 252. Bibcode :1977PhRvL..39..252H. doi :10.1103/PhysRevLett.39.252. OSTI  1155396.
  17. ^ abcd Лисс, TM; Типтон, PL (1997). "Открытие топ-кварка" (PDF) . Scientific American . Т. 277, № 3. С. 54–59. doi :10.1038/scientificamerican0997-54.
  18. ^ "Нобелевская премия по физике 1999 года" (пресс-релиз). Нобелевский фонд . Получено 10 сентября 2009 г.
  19. ^ "Нобелевская премия по физике 1999 года" (пресс-релиз). Нобелевский фонд . 12 октября 1999 г. Получено 10 сентября 2009 г.
  20. ^ Чакраборти, Д. и др. ( совместное исследование DØ и CDF ) (2002). Результаты по топ-кварку и W/Z на Тэватроне (PDF) . Встречи Морионда. стр. 26. arXiv : hep-ex/0212027 .
  21. ^ Абазов, В.М. и др. ( DØ Collaboration ) (2007). "Экспериментальное различение между топ-кварком с зарядом 2 e /3 и экзотическими сценариями рождения кварка с зарядом 4 e /3". Physical Review Letters . 98 (4): 041801. arXiv : hep-ex/0608044 . Bibcode : 2007PhRvL..98d1801A. doi : 10.1103/PhysRevLett.98.041801. hdl : 10211.3/194390. PMID  17358756. S2CID  1147194.
  22. ^ ab Абазов, ВМ; и др. ( DØ Collaboration ) (2009). "Наблюдение за рождением одиночного топ-кварка". Physical Review Letters . 103 (9): 092001. arXiv : 0903.0850 . Bibcode : 2009PhRvL.103i2001A. doi : 10.1103/PhysRevLett.103.092001. hdl : 10211.3/194327. PMID  19792787. S2CID  14919683.
  23. ^ Абазов, В.М. и др. ( DØ Collaboration ) (2007). «Доказательства образования одиночных топ-кварков и первое прямое измерение | V tb |». Physical Review Letters . 98 (18): 181802. arXiv : hep-ex/0612052 . Bibcode : 2007PhRvL..98r1802A. doi : 10.1103/PhysRevLett.98.181802. hdl : 10211.3/194387. PMID  17501561. S2CID  14937909.
  24. ^ Aaltonen, T.; et al. ( CDF Collaboration ) (2009). "Первое наблюдение электрослабого одиночного образования топ-кварка". Physical Review Letters . 103 (9): 092002. arXiv : 0903.0885 . Bibcode : 2009PhRvL.103i2002A. doi : 10.1103/PhysRevLett.103.092002. hdl : 1721.1/52314. PMID  19792788. S2CID  8029289.
  25. ^ ab Zyla, PA; et al. ( Particle Data Group ) (2020). "КВАРКИ" (PDF) . Progress of Theoretical and Experimental Physics : 083C01 . Получено 22 мая 2022 г.
  26. ^ Абазов, В.М. и др. ( DØ Collaboration ) (2008). «Одновременное измерение отношения B (t → Wb)/ B (t → Wq) и сечения образования пары топ-кварков с помощью детектора DØ при √ s  = 1,96 ТэВ». Physical Review Letters . 100 (19): 192003. arXiv : 0801.1326 . Bibcode : 2008PhRvL.100s2003A. doi : 10.1103/PhysRevLett.100.192003. hdl : 10211.3/194369. PMID  18518440. S2CID  2638258.
  27. ^ Чеканов, С.; и др. ( Сотрудничество ZEUS ) (2003). "Поиск рождения одиночной вершины в столкновениях ep в HERA". Physics Letters B. 559 ( 3–4): 153–170. arXiv : hep-ex/0302010 . Bibcode : 2003PhLB..559..153Z. doi : 10.1016/S0370-2693(03)00333-2. S2CID  119494760.
  28. ^ Пендлтон, Брайан; Росс, Грэм (1981). «Предсказания массы и угла смешивания из инфракрасных фиксированных точек». Physics Letters . 98B (4): 291–294. Bibcode : 1981PhLB...98..291P. doi : 10.1016/0370-2693(81)90017-4.
  29. ^ Хилл, Кристофер Т. (1981). «Массы кварков и лептонов из неподвижных точек группы ренормализации». Physical Review D. 24 ( 3): 691–703. Bibcode : 1981PhRvD..24..691H. doi : 10.1103/PhysRevD.24.691.
  30. ^ Хилл, Кристофер Т.; Мачадо, Педро; Томсен, Андерс; Тернер, Джессика (2019). «Где следующие бозоны Хиггса?». Physical Review D. 100 ( 1): 015051. arXiv : 1904.04257 . Bibcode : 2019PhRvD.100a5051H. doi : 10.1103/PhysRevD.100.015051. S2CID  104291827.
  31. ^ Хилл, Кристофер Т.; Мачадо, Педро; Томсен, Андерс; Тернер, Джессика (2019). «Скалярная демократия». Physical Review D. 100 ( 1): 015015. arXiv : 1902.07214 . Bibcode : 2019PhRvD.100a5015H. doi : 10.1103/PhysRevD.100.015015. S2CID  119193325.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки