Топ-кварк

Топ-кварк

Столкновение с участием топ-кварков
Состав	элементарная частица
Статистика	фермионный
Семья	кварк
Поколение	третий
Взаимодействия	сильный , слабый , электромагнитный , гравитационный
Символ	т
Античастица	верхний антикварк ( т )
Теоретический	Макото Кобаяси и Тошихидэ Маскава (1973)
Обнаруженный	Сотрудничество CDF и DØ (1995)
Масса	172,76 ± 0,3 ГэВ/ c 2
Средний срок службы	5 × 10 −25 с
Распадается на	нижний кварк (99,8%) странный кварк (0,17%) даун-кварк (0,007%)
Электрический заряд	+ 2/3 ​ ​ е
Цветовой заряд	да
Вращаться	1/2 ​ ​   часа
Топнесс	1
Слабый изоспин	ЛХ : + 1/2 , 0 : высота правая
Слабый гиперзаряд	ЛХ : + 1 / 3 , правая сторона : + 4 / 3

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 y _t 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 CDF . и ДО эксперименты в Фермилабе .

Как и все другие кварки , топ-кварк представляет собой фермион со спином. 1/2 участвует электромагнетизме во всех четырех фундаментальных взаимодействиях : гравитации , и , слабых взаимодействиях и сильных взаимодействиях . Имеет электрический заряд + 2/3 ​ ​   е . Его масса составляет 172,76 ± 0,3 ГэВ/ с. ² , что близко к массе атома рения . Античастицей топ - топ-кварка является 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 .

топ-кварка Стандартная модель определяет среднее время жизни примерно 5 × 10. ⁻²⁵ с . Это примерно двадцатая часть времени сильных взаимодействий. и поэтому он не образует адроны , что дает физикам уникальную возможность изучить «голый» кварк (все остальные кварки адронизируются , что означает, что они объединяются с другими кварками, образуя адроны , и их можно наблюдать 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 за пределами Стандартной модели. Топ-кварк — единственный кварк, который наблюдался напрямую, поскольку время его распада меньше времени адронизации.

История

В 1973 году Макото Кобаяши и Тошихидэ Маскава предсказали существование третьего поколения кварков, чтобы объяснить наблюдаемые CP-нарушения при каонов распаде . Названия верх и низ были введены Хаимом Харари в 1975 году. чтобы совпадать с названиями кварков первого поколения ( верхний и нижний ), что отражает тот факт, что они были «верхним» и «нижним» компонентом слабого дублета изоспина .

Предложение Кобаяши и Маскавы во многом основывалось на механизме GIM, выдвинутом Шелдоном Глэшоу , Джоном Илиопулосом и Лучано Майани . который предсказал существование тогда ещё ненаблюдавшегося очаровательного кварка . (Другой второго поколения кварк , 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. С принятием механизма GIM предсказание Кобаяши и Маскавы также приобрело доверие. Их аргументы были еще более подтверждены открытием тау командой Мартина Льюиса Перла в SLAC между 1974 и 1978 годами. Тау объявил о третьем поколении лептонов , нарушив новую симметрию между лептонами и кварками, введенную механизмом GIM. Восстановление симметрии предполагало существование пятого и шестого кварков.

На самом деле, вскоре пятый кварк, нижний, был открыт экспериментальной группой E288 под руководством Леона Ледермана в Фермилабе в 1977 году. Это убедительно свидетельствует о том, что для завершения пары также должен существовать шестой, верхний кварк. 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.

Первые поиски высшего 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 менее 41 ГэВ/ с. ² . После гонки между ЦЕРН и Фермилабом за обнаружение вершины ускоритель в ЦЕРН достиг своих пределов, не создав ни одной вершины, подняв нижнюю границу его массы до 77 ГэВ/ с. ² .

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, второй детектор — детектор DØ к комплексу был добавлен (в дополнение к уже имеющемуся детектору-коллайдеру в Фермилабе (CDF). В октябре 1992 года обе группы впервые обнаружили намек на вершину, представив одно 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 около 175 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 волчка с массой 176 ± 18 ГэВ/ с. ² .

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 оказал на параметр Т , и к 1994 году точность этих косвенных измерений привела к предсказанию, что масса топ-кварка будет находиться в пределах 145 ГэВ/ с. ² и 185 ГэВ/ c ² . 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.

Свойства

• При конечной энергии Тэватрона 1,96 ТэВ образовались пары топ-антитоп с сечением около 7 пикобарнов (пб). Предсказание Стандартной модели (в следующем за ведущим порядке с m _t = 175 ГэВ/ c ² ) составляет 6,7–7,5 пб .
• W-бозоны от распада топ-кварков несут поляризацию родительской частицы и, следовательно, представляют собой уникальный зонд топ-поляризации.
• В Стандартной модели предсказано, что топ-кварк имеет спиновое квантовое число 1/2 и электрический заряд + + 2 / 3 . Опубликовано первое измерение заряда топ-кварка, что привело к некоторой уверенности в том, что заряд топ-кварка действительно равен + +  2  / 3 .

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 Тэватрона прекращения работы , 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

клей-клеевой сплав

Т-канал

кварк-антикварковая аннигиляция

Наиболее распространенным является образование пары топ-антитоп посредством сильных взаимодействий . При столкновении высокоэнергетический глюон создается , который впоследствии распадается на волчок и антитоп. Этот процесс был ответственен за большинство событий на вершине Тэватрона, и именно этот процесс наблюдался, когда вершина была впервые открыта в 1995 году. Также возможно образование пар топ-антитоп путем распада промежуточного фотона или Z-бозона . 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

s-канал

Т-канал

ТВ-канал

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. а в марте 2009 года CDF и ДО коллаборации выпустили двойные статьи с подробным наблюдением за этими процессами. Основное значение измерения этих производственных процессов состоит в том, что их частота прямо пропорциональна | В _ТБ | ² компонент матрицы CKM .

Распад

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: прогнозируемое время жизни составляет всего 5 × 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 :

$\operatorname {B} \left(\ \mathrm {t} \to W^{+}\ \mathrm {b} \ \right)\equiv {\frac {\operatorname {\Gamma } \left(\ \mathrm {t} \to W^{+}\ \mathrm {b} \ \right)}{\ \sum _{q\ =\ \mathrm {b,s,d} }\operatorname {\Gamma } \left(\ \mathrm {t} \to W^{+}\ q\ \right)\ }}~.$

Наилучшее текущее определение этого отношения составляет 0,957 ± 0,034 . 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.

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 очарование), испуская фотон или Z-бозон. Однако поиски этих экзотических режимов распада не дали никаких доказательств того, что они происходят в соответствии с ожиданиями Стандартной модели. Было определено, 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% .

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 y _i , что порождает массу. Частица малой массы, такая как электрон, имеет ничтожную связь y _{электрон} = 2 × 10 ⁻⁶ , а топ-кварк имеет наибольшую связь с бозоном Хиггса, y _t ≈ 1 .

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, 10 ¹⁵ ГэВ . Их значение увеличивается 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 заключается 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 компенсировать поправки КХД. Это известно как (квази-) инфракрасная фиксированная точка , которая была впервые предсказана Б. Пендлтоном и Г. Г. Россом. и Кристофер Т. Хилл , Независимо от того, каково начальное начальное значение муфты, если оно достаточно велико, оно достигнет этого значения фиксированной точки. Затем предсказывается соответствующая масса кварка.

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

$\mu \ {\frac {\ \partial }{\partial \mu }}\ y_{\mathrm {t} }\approx {\frac {\ y_{\text{t}}\ }{16\ \pi ^{2}}}\left({\frac {\ 9\ }{2}}y_{\mathrm {t} }^{2}-8g_{3}^{2}-{\frac {\ 9\ }{4}}g_{2}^{2}-{\frac {\ 17\ }{20}}g_{1}^{2}\right)\ ,$

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.

См. также

• эксперимент CDF
• Кварковая модель
• Конденсат топ-кварка
• Топколор
• Топнесс

Дальнейшее чтение

• Фрэнк Фидлер; для Д0; Сотрудничество CDF (июнь 2005 г.). «Производство и свойства топ-кварков на Тэватроне». arXiv : hep-ex/0506005 . {{cite arXiv}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
• Р. Нейв. «Кварки» . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии , факультет физики и астрономии . Проверено 29 июня 2008 г.
• А. Пикеринг (1984). Создание кварков . Издательство Чикагского университета . стр. 114–125. ISBN  978-0-226-66799-7 .

Внешние ссылки

• «Скрипт для получения «топ-кварка» на arxiv.org» . Архивировано из оригинала 16 января 2022 года . Проверено 19 февраля 2023 г.
• «Рабочая группа по электрослабым тэватронам» . Фермилаб .
• «Информация о топ-кварках» . Фермилаб .
• «Открытие топ-кварков коллаборацией CDF и DZero» . Журнал Symmetry Magazine (страницы журнала открытий). Архивировано из оригинала 2 октября 2006 года.
• «статья об открытии топ-кварка» (PDF) . Научный американец .
• «Результаты анализа топ-кварков, проведенные DØ Collaboration» . Фермилаб (публичная домашняя страница).
• «Результаты анализа топ-кварков в результате сотрудничества CDF» . Фермилаб .
• «статья об открытии топ-кварка в 1994 году» . Гарвардский журнал . Архивировано из оригинала 8 мая 2006 года.
• «Нобелевская премия по физике» . 1999.