stringtranslate.com

Топ-кварк

Топ -кварк , иногда также называемый истинным кварком (обозначение: t), является самой массивной из всех наблюдаемых элементарных частиц . Свою массу он получил в результате взаимодействия с бозоном Хиггса . Эта связь очень близка к единице; в Стандартной модели физики элементарных частиц это самая большая (самая сильная) связь на уровне слабых взаимодействий и выше. Топ-кварк был открыт в 1995 году в экспериментах CDF [2] и DØ [3] 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 .Онимеет массу172,76 ± 0,3  ГэВ/ с 2 , [1] что близко к массе атома рения . [4] Античастицей топ-кварка является топ-антикварк ( обозначение: t , иногда называемый антитоп-кварком или просто антитопом ), который отличается от него только тем, что некоторые его свойства имеют равную величину, но противоположный знак .

Топ-кварк взаимодействует с глюонами сильного взаимодействия и обычно образуется в адронных коллайдерах посредством этого взаимодействия. Однако однажды созданный волчок (или антитоп) может распасться только под действием слабого взаимодействия . Он распадается на W-бозон и либо нижний кварк (чаще всего), странный кварк , либо, в самом редком случае, даун-кварк . [а]

Стандартная модель определяет среднее время жизни топ-кварка примерно5 × 10 −25  с . [5] Это примерно двадцатая часть времени сильных взаимодействий, [b] и поэтому оно не образует адронов , что дает физикам уникальную возможность изучить «голый» кварк (все остальные кварки адронизируются , то есть объединяются с другими кварки образуют адроны и могут наблюдаться только как таковые).

Поскольку топ-кварк настолько массивен, его свойства позволили косвенно определить массу бозона Хиггса (см. § Масса и связь с бозоном Хиггса ниже). Таким образом, свойства топ-кварка широко изучаются как средство различения конкурирующих теорий новой физики, выходящих за рамки Стандартной модели. Топ-кварк — единственный кварк, который наблюдался напрямую, поскольку время его распада меньше времени адронизации. [б] [6]

История

В 1973 году Макото Кобаяси и Тошихидэ Маскава предсказали существование третьего поколения кварков, чтобы объяснить наблюдаемые CP-нарушения при распаде каонов . Названия «верхний» и « нижний» были введены Хаимом Харари в 1975 году [7] [8] для соответствия названиям первого поколения кварков ( верхний и нижний ), отражая тот факт, что эти два компонента были «верхним» и «нижним». слабого дублета изоспина . [9] [10]

Предложение Кобаяши и Маскавы во многом опиралось на механизм GIM , выдвинутый Шелдоном Глэшоу , Джоном Илиопулосом и Лучано Майани , [11] который предсказал существование тогда ещё ненаблюдавшегося очарованного кварка . (Другой кварк второго поколения , странный кварк , был обнаружен уже в 1968 году.) Когда в ноябре 1974 года команды 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 недостающего очаровательного кварка с его антикварком. Это открытие позволило механизму GIM стать частью Стандартной модели. [12] С принятием механизма GIM предсказание Кобаяши и Маскавы также приобрело доверие. Их аргументы были еще более подкреплены открытием тау командой Мартина Льюиса Перла в SLAC в период с 1974 по 1978 год. [13] Тау объявило о третьем поколении лептонов , нарушив новую симметрию между лептонами и кварками, введенную механизмом GIM. . Восстановление симметрии предполагало существование пятого и шестого кварков.

Фактически, вскоре пятый кварк, нижний, был открыт экспериментальной группой E288 под руководством Леона Ледермана в Фермилабе в 1977 году . кварк, вершина, для завершения пары. Было известно, что этот кварк будет тяжелее нижнего, и для его создания при столкновениях частиц потребуется больше энергии, но общее ожидание заключалось в том, что шестой кварк вскоре будет обнаружен. Однако прошло еще 18 лет, прежде чем существование вершины было подтверждено. [17]

Первые поиски топ-кварка в SLAC и DESY (в Гамбурге ) закончились безрезультатно. Когда в начале 1980-х годов суперпротонный синхротрон (SPS) в ЦЕРНе обнаружил W-бозон и Z-бозон , вновь возникло ощущение, что открытие волчка неизбежно. Поскольку SPS выиграл конкуренцию со стороны Тэватрона в Фермилабе, все еще не было никаких признаков недостающей частицы, и группа в ЦЕРНе объявила, что верхняя масса должна быть не менее41 ГэВ/ с 2 . После гонки между ЦЕРН и Фермилабом за обнаружение вершины ускоритель в ЦЕРН достиг своих пределов, не создав единой вершины, подняв нижнюю границу его массы до77 ГэВ/ c 2 . [17]

Тэватрон был (до начала работы БАКа в ЦЕРН в 2009 году) единственным адронным коллайдером, достаточно мощным для производства топ-кварков. Чтобы иметь возможность подтвердить будущее открытие, к комплексу был добавлен второй детектор — детектор DØ (в дополнение к уже имеющемуся детектору-коллайдеру в Фермилабе (CDF). В октябре 1992 года обе группы впервые обнаружили намек на вершину, представив единственное событие создания, которое, по-видимому, содержало вершину. В последующие годы было собрано больше доказательств, и 22 апреля 1994 года группа CDF представила свою статью, в которой представлены предварительные доказательства существования топ-кварка с массой около175 ГэВ/ c 2 . Тем временем DØ не нашел никаких доказательств, кроме подозрительного события в 1992 году. Год спустя, 2 марта 1995 года, после сбора дополнительных доказательств и повторного анализа данных DØ (которые искали гораздо более легкую вершину), два группы совместно сообщили об открытии вершины в массе176 ± 18 ГэВ/ с 2 . [2] [3] [17]

За годы, предшествовавшие открытию топ-кварка, стало понятно, что некоторые прецизионные измерения масс и связей электрослабых векторных бозонов очень чувствительны к значению массы топ-кварка. Эти эффекты становятся намного сильнее при более высоких значениях верхней массы и, следовательно, могут косвенно увидеть топ-кварк, даже если его нельзя было напрямую обнаружить ни в одном эксперименте в то время. Наибольшее влияние массы топ-кварка оказало на параметр T , и к 1994 году точность этих косвенных измерений привела к предсказанию, что масса топ-кварка будет между145 ГэВ/ c 2 и185 ГэВ/ c 2 . [17] Именно разработка методов, которые в конечном итоге позволили столь точные вычисления, привела 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 столкновения с высокими энергиями. Они происходят естественным образом в верхних слоях атмосферы Земли, когда космические лучи сталкиваются с частицами в воздухе, или могут создаваться в ускорителе частиц . В 2011 году, после прекращения работы Тэватрона , Большой адронный коллайдер в ЦЕРН стал единственным ускорителем, генерирующим луч достаточной энергии для производства топ -кварков с энергией центра масс 7 ТэВ. Существует множество процессов, которые могут привести к образованию топ-кварков, но концептуально их можно разделить на две категории: образование топ-пар и образование одиночных топ-кварков.

Пары топ-кварков

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

Одиночные топ-кварки

Рождение одиночных топ-кварков посредством слабого взаимодействия — совершенно другой процесс. Это может произойти несколькими способами (называемыми каналами): либо промежуточный W-бозон распадается на верхний и антинижний кварки («s-канал»), либо нижний кварк (вероятно, созданный в паре в результате распада глюона) превращается в топ-кварк путем обмена W-бозона на верхний или нижний кварк («t-канал»). Одиночный топ-кварк также может быть создан в сочетании с W-бозоном, для чего требуется нижний кварк в начальном состоянии («tW-канал»). Первые доказательства этих процессов были опубликованы коллаборацией DØ в декабре 2006 г. [23] , а в марте 2009 г. коллаборации CDF [24] и DØ [22] выпустили двойные статьи с точным наблюдением этих процессов. Основное значение измерения этих производственных процессов состоит в том, что их частота прямо пропорциональна | В ТБ | 2  компонента матрицы CKM .

Разлагаться

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

Единственный известный способ распада верхнего кварка – это слабое взаимодействие с образованием W-бозона и нижнего кварка . [а] Из-за своей огромной массы топ-кварк чрезвычайно недолговечен, его прогнозируемое время жизни составляет всего лишь5 × 10 −25  с . [5] В результате топ-кварки не успевают распасться с образованием адронов , как это делают другие кварки. [б] Отсутствие адрона, окружающего топ-кварк, дает физикам уникальную возможность изучить поведение «голого» кварка.

В частности, можно напрямую определить коэффициент ветвления :

Наилучшим текущим определением этого соотношения является0,957 ± 0,034 . [25] Поскольку это соотношение равно | В ТБ | 2 согласно Стандартной модели , это дает другой способ определения элемента CKM  | В ТБ | , или в сочетании с определением | В ТБ | из производства с одной вершиной обеспечивает проверку предположения о том, что матрица CKM унитарна. [26]

Стандартная модель допускает и более экзотические распады, но только на уровне одной петли, а это означает, что они крайне редки. В частности, вполне возможно, что топ-кварк может распасться на другой кварк up-типа (up или шарм), испустив 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. Было установлено, что коэффициенты ветвления для этих распадов составляют менее 1,8 на 10 000 для фотонного распада и менее 5 на 10 000 для распада Z-бозона с достоверностью 95% . [25]

Масса и связь с бозоном Хиггса

Стандартная модель генерирует массы фермионов посредством их взаимодействия с бозоном Хиггса . Этот бозон Хиггса действует как поле, заполняющее пространство. Фермионы взаимодействуют с этим полем пропорционально своим индивидуальным константам связи, что генерирует массу. Частица малой массы, такая как электрон , имеет ничтожную связь, тогда как топ-кварк имеет самую большую связь с бозоном Хиггса.

В Стандартной модели все кварковые и лептонные связи Хиггса-Юкавы малы по сравнению с связью Юкавы топ-кварка. Эта иерархия масс фермионов остается глубокой и открытой проблемой теоретической физики. Взаимодействия Хиггса-Юкавы не являются фиксированными константами природы, поскольку их значения медленно меняются в зависимости от масштаба энергии (масштаба расстояний), на котором они измеряются. Эта динамика связей Хиггса-Юкавы, называемая «бегущими константами связи», обусловлена ​​квантовым эффектом, называемым ренормгруппой .

Предполагается, что связи Хиггса-Юкавы верхних, нижних, очарованных, странных и нижних кварков имеют малые значения на чрезвычайно высоком энергетическом масштабе великого объединения, 1015  ГэВ. Их значение возрастает на более низких энергетических уровнях, когда массы кварков генерируются бозоном Хиггса. Небольшой рост обусловлен поправками из-за связи КХД . Поправки от связей Юкавы незначительны для кварков с меньшей массой.

Одно из преобладающих взглядов в физике элементарных частиц состоит в том, что размер связи Хиггса-Юкавы топ-кварка определяется уникальным нелинейным свойством уравнения ренормгруппы, которое описывает ход большого взаимодействия Хиггса-Юкавы топ-кварка. Если связь кварка Хиггса-Юкавы имеет большое значение при очень высоких энергиях, его поправки Юкавы будут развиваться вниз по массовому масштабу и компенсироваться 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 он достаточно велик, он достигнет этого значения с фиксированной точкой. Затем предсказывается соответствующая масса кварка.

Связь топ-кварка Юкавы находится очень близко к фиксированной инфракрасной точке Стандартной модели. Уравнение ренормгруппы:

где g 3 — цветовая калибровочная связь, g 2 — слабая калибровочная связь изоспина, а g 1 — слабая калибровочная связь гиперзаряда. 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 КХД g 3 .

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 верхней массы и может указывать на новую физику в более высоких энергетических масштабах.

Квази-инфракрасная фиксированная точка впоследствии стала основой теорий конденсации топ-кварков и теорий топ-цвета 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 существуют дополнительные скаляры Хиггса за пределами стандартной модели, и, следовательно, это может намекать на богатую спектроскопию новых полей Хиггса на энергетических масштабах, которые можно исследовать с помощью БАК и его обновления. [30] [31]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ ab Подавляющее большинство распадов топ-кварков приводит к образованию нижнего кварка , масса которого ближе всего к массе верхнего кварка. В очень редких случаях он может распасться на странный кварк ; почти никогда не является даун-кварком .
  2. ^ abc Распад топ-кварка — исключительный пример слабого процесса , который быстрее сильного взаимодействия .

Рекомендации

  1. ^ аб Зила, Пенсильвания; и другие. ( Группа данных о частицах ) (2020). «Обзор физики элементарных частиц 2020». Успехи теоретической и экспериментальной физики : 083C01.
  2. ^ Аб Абэ, Ф.; и другие. ( Сотрудничество CDF ) (1995). «Наблюдение образования топ-кварка в
    п

    п
    Столкновения с коллайдером-детектором в Фермилабе». Physical Review Letters . 74 (14): 2626–2631. arXiv : hep-ex/9503002 . Бибкод : 1995PhRvL..74.2626A. doi : 10.1103/PhysRevLett.74.2626. PMID  10057978 . S2CID  119451328.
  3. ^ Аб Абачи, С.; и другие. ( Сотрудничество DØ ) (1995). «Наблюдение Топ-кварка». Письма о физических отзывах . 74 (14): 2632–2637. arXiv : hep-ex/9503003 . Бибкод : 1995PhRvL..74.2632A. doi : 10.1103/PhysRevLett.74.2632. PMID  10057979. S2CID  42826202.
  4. ^ Элерт, Гленн. «Квантовая хромодинамика». Гиперучебник по физике . Проверено 23 марта 2019 г.
  5. ^ ab Quadt, А. (2006). «Физика топ-кварков на адронных коллайдерах». Европейский физический журнал C . 48 (3): 835–1000. Бибкод : 2006EPJC...48..835Q. doi : 10.1140/epjc/s2006-02631-6. S2CID  121887478.
  6. ^ Обер, Жан-Жак; Гастманс, Раймонд; Жерар, Жан-Марк (6 декабря 2012 г.). Физика элементарных частиц: идеи и последние разработки. Спрингер, Дордрехт. п. 69. ИСБН 978-0-7923-6436-8. Проверено 11 июня 2020 г.
  7. ^ Харари, Х. (1975). «Новая кварковая модель адронов». Буквы по физике Б. 57 (3): 265. Бибкод : 1975PhLB...57..265H. дои : 10.1016/0370-2693(75)90072-6.
  8. ^ Стейли, К.В. (2004). Доказательства существования топ-кварка. Издательство Кембриджского университета . стр. 31–33. ISBN 978-0-521-82710-2.
  9. ^ Перкинс, Д.Х. (2000). Введение в физику высоких энергий . Издательство Кембриджского университета . п. 8. ISBN 978-0-521-62196-0.
  10. ^ Клоуз, Ф. (2006). Новый космический лук . ЦРК Пресс . п. 133. ИСБН 978-1-58488-798-0.
  11. ^ Глэшоу, СЛ; Илиопулос, Дж.; Майани, Л. (1970). «Слабые взаимодействия с лептон-адронной симметрией». Физический обзор D . 2 (7): 1285–1292. Бибкод : 1970PhRvD...2.1285G. doi : 10.1103/PhysRevD.2.1285.
  12. ^ Пикеринг, А. (1999). Построение кварков: социологическая история физики элементарных частиц . Издательство Чикагского университета . стр. 253–254. ISBN 978-0-226-66799-7.
  13. ^ Перл, ML; и другие. (1975). «Доказательства аномального образования лептонов в
    е+

    е
    Аннигиляция». Physical Review Letters . 35 (22): 1489. Бибкод : 1975PhRvL..35.1489P.doi : 10.1103 /PhysRevLett.35.1489.
  14. ^ «Открытие нижнего кварка» (Пресс-релиз). Открытия в Фермилабе. Фермилаб . 7 августа 1977 года . Проверено 24 июля 2009 г.
  15. ^ Ледерман, LM (2005). «Журнал: Нижний кварк». Журнал «Симметрия» . Том. 2, нет. 8. Архивировано из оригинала 4 октября 2006 года.
  16. ^ Херб, Юго-Запад; и другие. (1977). «Наблюдение ди-мюонного резонанса при энергии 9,5 ГэВ в протон-ядерных столкновениях с энергией 400 ГэВ». Письма о физических отзывах . 39 (5): 252. Бибкод : 1977PhRvL..39..252H. doi : 10.1103/PhysRevLett.39.252. ОСТИ  1155396.
  17. ^ abcd Лисс, ТМ; Типтон, Польша (1997). «Открытие топ-кварка» (PDF) . Научный американец . Том. 277, нет. 3. С. 54–59. doi : 10.1038/scientificamerican0997-54.
  18. ^ «Нобелевская премия по физике 1999 г.» (пресс-релиз). Нобелевский фонд . Проверено 10 сентября 2009 г.
  19. ^ «Нобелевская премия по физике 1999 г.» (пресс-релиз). Нобелевский фонд . 12 октября 1999 года . Проверено 10 сентября 2009 г.
  20. ^ Чакраборти, Д.; и другие. ( Сотрудничество DØ и сотрудничество CDF ) (2002). Топ-кварк и результаты W/Z на Тэватроне (PDF) . Реконтр де Морионд. п. 26. arXiv : hep-ex/0212027 .
  21. ^ Абазов, В.М.; и другие. ( Сотрудничество DØ ) (2007). «Экспериментальное различение топ-кварков с зарядом 2 e / 3 и сценариев образования экзотических кварков с зарядом 4 e / 3». Письма о физических отзывах . 98 (4): 041801. arXiv : hep-ex/0608044 . Бибкод : 2007PhRvL..98d1801A. doi : 10.1103/PhysRevLett.98.041801. hdl : 10211.3/194390. PMID  17358756. S2CID  1147194.
  22. ^ аб Абазов, В.М.; и другие. ( Сотрудничество DØ ) (2009). «Наблюдение за образованием одиночного высшего кварка». Письма о физических отзывах . 103 (9): 092001. arXiv : 0903.0850 . Бибкод : 2009PhRvL.103i2001A. doi :10.1103/PhysRevLett.103.092001. hdl : 10211.3/194327. PMID  19792787. S2CID  14919683.
  23. ^ Абазов, В.М.; и другие. ( Сотрудничество DØ ) (2007). «Доказательства образования одиночных топ-кварков и первое прямое измерение | V tb |». Письма о физических отзывах . 98 (18): 181802. arXiv : hep-ex/0612052 . Бибкод : 2007PhRvL..98r1802A. doi :10.1103/PhysRevLett.98.181802. hdl : 10211.3/194387. PMID  17501561. S2CID  14937909.
  24. ^ Аалтонен, Т.; и другие. ( Сотрудничество CDF ) (2009). «Первое наблюдение образования одиночного электрослабого топ-кварка». Письма о физических отзывах . 103 (9): 092002. arXiv : 0903.0885 . Бибкод : 2009PhRvL.103i2002A. doi :10.1103/PhysRevLett.103.092002. hdl : 1721.1/52314. PMID  19792788. S2CID  8029289.
  25. ^ аб Зила, Пенсильвания; и другие. ( Группа данных о частицах ) (2020). «КВАРКИ» (PDF) . Успехи теоретической и экспериментальной физики : 083С01 . Проверено 22 мая 2022 г.
  26. ^ Abazov, V.M.; et al. (DØ Collaboration) (2008). "Simultaneous measurement of the ratio B(t → Wb)/B(t → Wq) and the top-quark pair production cross section with the DØ detector at s = 1.96 TeV". 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. ^ Chekanov, S.; et al. (ZEUS Collaboration) (2003). "Search for single-top production in e-p collisions at 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. ^ Pendleton, Brian; Ross, Graham (1981). "Mass and mixing angle predictions from infrared fixed points". Physics Letters. 98B (4): 291–294. Bibcode:1981PhLB...98..291P. doi:10.1016/0370-2693(81)90017-4.
  29. ^ Hill, Christopher T. (1981). "Quark and lepton masses from renormalization group fixed points". Physical Review D. 24 (3): 691–703. Bibcode:1981PhRvD..24..691H. doi:10.1103/PhysRevD.24.691.
  30. ^ Hill, Christopher T.; Machado, Pedro; Thomsen, Anders; Turner, Jessica (2019). "Where are the next Higgs bosons?". Physical Review D. 100 (1): 015051. arXiv:1904.04257. Bibcode:2019PhRvD.100a5051H. doi:10.1103/PhysRevD.100.015051. S2CID 104291827.
  31. ^ Hill, Christopher T.; Machado, Pedro; Thomsen, Anders; Turner, Jessica (2019). "Scalar democracy". Physical Review D. 100 (1): 015015. arXiv:1902.07214. Bibcode:2019PhRvD.100a5015H. doi:10.1103/PhysRevD.100.015015. S2CID 119193325.

Further reading

Внешние ссылки