Войти
 Событие столкновения с участием топ-кварков | |
| Состав | Элементарная частица |
|---|---|
| Статистика | Фермионное |
| поколение | Третье |
| Взаимодействия | сильное, слабое, электромагнитная сила, сила тяжести |
| Символ | . t. |
| Античастица | Верхний антикварк (. t.) |
| Теоретически | Макото Кобаяси и Тошихиде Маскава (1973) |
| Обнаружен | CDF и DØ коллаборации (1995) |
| Масса | 172,76 ± 0,3 ГэВ / c |
| Распадается на | нижний кварк (99,8%). странный кварк (0.17%). кварк (0,007%) |
| Электрический заряд | +2/3 e |
| Цветной заряд | Да |
| Спин | 1/2 |
| Вершина | 1 |
| Слабый изоспин | LH : +1/2, RH : 0 |
| Слабый гиперзаряд | LH : +1/3, RH : +4/3 |
топ-кварк, иногда также называемый истинным кварком, (символ: t), является наиболее массивным из всех наблюдаемых элементарных частицы. Это де получает свою массу от связи с бозоном Хиггса. Эта связь 
Как и все другие кварки, верхний кварк - это фермион со спином 1/2 и участвует во всех четырех фундаментальных взаимодействиях : гравитации, электромагнетизме, слабые взаимодействия и сильные взаимодействия. Он имеет электрический заряд +2/3 e. Он имеет массу 172,76 ± 0,3 ГэВ / c, что близко к массе атома рения. античастица топ-кварка - это топ-антикварк (символ: t, иногда называемый антитоп-кварком или просто антитопом), который отличается от него только тем, что некоторые его свойства имеют равная величина, но противоположный знак.
Топ-кварк взаимодействует с глюонами из сильного взаимодействия и обычно образуется в адронных коллайдерах посредством этого взаимодействия. Однако однажды созданная вершина (или антитопс) может разрушиться только под действием слабой силы. Он распадается на бозон W и либо на нижний кварк (чаще всего), и на странный кварк, или, в редких случаях, на down quark.
Стандартная модель определяет среднее время жизни топ-кварка примерно как 5 × 10 с. Это примерно двадцатая часть шкалы времени для сильных взаимодействий, и поэтому она не образует адроны, что дает физикам уникальную возможность изучить «голый» кварк (все другие кварки адронизируются, это означает, что они объединяются с другими кварками с образованием адронов 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 за пределами Стандартной модели. Топ-кварк - единственный кварк, который непосредственно наблюдался из-за того, что он распадается быстрее, чем время адронизации.
В 1973 г. Макото Кобаяси и Тошихиде Маскава предсказали существование третьего поколения кварков, чтобы объяснить наблюдаемые нарушения CP в Каон распад. Имена верхний и нижний были введены Хаимом Харари в 1975 году, чтобы соответствовать именам первого поколения кварков (вверх и вниз ), отражая тот факт, что эти два компонента были «верхним» и «нижним» компонентами слабого изоспина дублета.
Предложение Кобаяси и Маскавы в значительной степени опиралось на механизм GIM. выдвинутый Шелдоном Ли Глэшоу, Джоном Илиопулосом и Лучано Майани, которые предсказали существование тогда еще не наблюдаемого очаровательного кварка. (Другой кварк второго поколения, странный кварк, был обнаружен уже в 1968 году.) Когда в ноябре 1974 года команды из Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) и Стэнфордский центр линейных ускорителей (SLAC) одновременно объявили об открытии J / ψ-мезона, вскоре после того, как он был идентифицирован как связанное состояние пропавшего очаровательного кварка. со своим 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 командой Мартина Льюиса Перла в SLAC в период с 1974 по 1978 год. Тау объявил о третьем поколении лептонов, нарушая новую симметрию между лептонами и кварками, введенную механизмом GIM. Восстановление симметрии предполагало существование пятого и шестого кварков.
Вскоре пятый кварк, дно, был обнаружен группой под руководством Леона Ледермана в Фермилаб в 1977 году. что также должен быть шестой кварк, волчок, чтобы завершить пару. Было известно, что этот кварк будет тяжелее дна, и для его создания при столкновении частиц потребуется больше энергии, но все ожидали, что вскоре будет найден шестой кварк. Однако потребовалось еще 18 лет, прежде чем существование вершины было подтверждено.
Первые поиски топ-кварка в SLAC и DESY (в Гамбурге ) подошел с пустыми руками. Когда в начале 1980-х годов на суперпротонном синхротроне (SPS) в ЦЕРН были обнаружены W-бозон и Z-бозон, он снова почувствовалось, что открытие вершины неизбежно. Поскольку SPS получил конкуренцию со стороны Tevatron в Фермилабе, все еще не было никаких признаков пропавшей частицы, и группа в ЦЕРН объявила, что максимальная масса должна быть не менее 41 ГэВ / c. После гонки между ЦЕРНом и Фермилабом за обнаружение вершины ускоритель в ЦЕРНе достиг своих пределов, не создав единой вершины, что привело к увеличению нижней границы своей массы до 77 ГэВ / c.
Тэватрон был (до начало работы LHC в CERN в 2009 г.) единственный адронный коллайдер, достаточно мощный, чтобы производить топ-кварки. Чтобы иметь возможность подтвердить будущее открытие, к комплексу был добавлен второй детектор, D0, детектор (в дополнение к коллайдерному детектору в Фермилаб (CDF), который уже имеется). 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 года группа CDF представила свою статью, в которой были представлены предварительные доказательства существования топ-кварка с массой около 175 ГэВ / c. Между тем, DØ не нашел больше доказательств, чем предполагаемое событие 1992 года. Год спустя, 2 марта 1995 года, после сбора дополнительных доказательств и повторного анализа данных DØ (которые искали в поисках более светлой вершины), две группы совместно сообщили об открытии волчка с массой 176 ± 18 ГэВ / c.
За годы, предшествовавшие открытию топ-кварка, было обнаружено, что определенные прецизионные измерения электрослабого векторного бозона массы и связи 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 массы топ-кварка между 145 ГэВ / c и 185. ГэВ / c. Именно разработка методов, которые в конечном итоге позволили произвести такие точные вычисления, привели к тому, что Герардус т Хофт и Мартинус Велтман получили Нобелевскую премию по физике в 1999 году.
Поскольку топ-кварки очень массивны, большое количество энергии необходимы для его создания. Единственный способ достичь таких высоких энергий - 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 ЦЕРН стал единственным ускорителем, который генерирует пучок энергии, достаточный для производства топ-кварков, с энергия центра 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 производство одиночных вершин.
глюон-глюонный синтез 
t-канал 
аннигиляция кварк-антикварк Наиболее распространенным является образование пары топ-антитоп через сильные взаимодействия. При столкновении образуется высокоэнергетический глюон , который впоследствии распадается на волчок и антитоп. Этот процесс был ответственен за большинство высших событий на Тэватроне и наблюдался, когда вершина была впервые обнаружена в 1995 году. Также возможно образование пар вершина-антитоп посредством распада промежуточного фотона или Z-бозон. Однако предсказывается, что эти процессы будут намного реже и будут иметь практически идентичный экспериментальный признак в адронном коллайдере, таком как Тэватрон.
s-канал 
t-канал 
tW канал Производство одиночных топ-кварков с помощью слабого взаимодействия - совершенно другой процесс. Это может происходить несколькими способами (называемыми каналами): либо промежуточный W-бозон распадается на верхний и антидонный кварки («s-канал»), либо на нижний кварк (вероятно, образовавшийся в паре в результате распада. глюона) превращается в топ-кварк путем замены W-бозона на верхний или нижний кварк («t-канал»). Одиночный верхний кварк также может быть создан 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 заключается в том, что их частота прямо пропорциональна | V tb | компонент матрицы CKM.
Все возможные конечные состояния распада пары топ-кварк Из-за своей огромной массы топ-кварк чрезвычайно короткий - жили с прогнозируемой продолжительностью жизни всего 5 × 10 с. В результате топ-кварки не успевают распасться до с образованием адронов, как это делают другие кварки, что дает физикам уникальную возможность изучить поведение «голого» кварка. Единственный известный способ распада верхнего кварка - это слабое взаимодействие с образованием W-бозона и кварка нижнего типа.
В частности, можно напрямую определить коэффициент разветвления Γ (Wb) / Γ (Wq, q = b, s, d). Лучшее текущее определение этого отношения - 0,91 ± 0,04. Поскольку это отношение равно | V tb | 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 одном уровне петли, что означает, что они чрезвычайно подавлены. 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 их существования в соответствии с ожиданиями Стандартной модели. Было определено, что коэффициенты ветвления для этих распадов составляют менее 5,9 из 1000 для фотонного распада и менее 2,1 из 1000 для распада Z-бозона при 95% достоверности.
Стандартная модель генерирует фермионные массы посредством их взаимодействия с бозоном Хиггса. Этот бозон Хиггса действует как пространство, заполняющее поле. Фермионы взаимодействуют с этим полем пропорционально своим индивидуальным константам взаимодействия 
В Стандартной модели все кварковая и лептонная связи Хиггса – Юкавы малы по сравнению с юкавской связью топ-кварка. Эта иерархия масс фермионов остается глубокой и открытой проблемой теоретической физики. Связи Хиггса-Юкавы не являются фиксированными константами природы, поскольку их значения медленно меняются, как и шкала энергии (шкала расстояний), на которой они измеряются. Эта динамика взаимодействий Хиггса – Юкавы, называемая «бегущими константами связи», возникает из-за квантового эффекта, называемого ренормализационной группой.
. Предполагается, что взаимодействия Хиггса-Юкавы восходящего, нижнего, очаровательного, странного и нижнего кварков иметь малые значения при чрезвычайно высоком энергетическом масштабе великого объединения, 10 ГэВ. Они увеличиваются в цене на более низких энергетических масштабах, на которых массы кварков генерируются Хиггсом. Небольшой рост обусловлен поправками от связи QCD. Поправки от юкавских связей пренебрежимо малы для кварков меньшей массы.
Одно из преобладающих взглядов в физике элементарных частиц состоит в том, что размер взаимодействия Хиггса-Юкавы топ-кварка определяется уникальным нелинейным свойством уравнения ренормгруппы, которое описывает работу большая связь Хиггса – Юкавы топ-кварка. Если кварковое взаимодействие Хиггса-Юкавы имеет большое значение при очень высоких энергиях, его поправки Юкавы будут эволюционировать вниз по шкале масс и сократиться против поправок КХД. Это известно как (квази) инфракрасная фиксированная точка, которая была впервые предсказана Б. Пендлтоном, Дж. 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 находится очень близко к фиксированной инфракрасной точке Стандартной модели. Уравнение ренормгруппы:
где g 3 - связь цветовой шкалы, g 2 - слабая связь датчика изоспина, а g 1 - это слабая связь датчика 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 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 фиксированная точка впоследствии стала основой теорий конденсации топ-кварков нарушения электрослабой симметрии, в которых бозон Хиггса составлен на чрезвычайно малых расстояниях и состоит из пары верхний и антитоповый кварки. 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..
