Top twaróg

Góry twaróg jest najcięższym znane cząstek elementarnych . Został odkryty w Fermilab w 1995 roku przy pomocy akceleratora cząstek Tevatron . Podobnie jak wszystkie kwarkach górna twaróg jest Fermion z wirowania ¹ / ₂ , która uczestniczy we wszystkich czterech znanych podstawowych interakcji i ma antycząsteczka .

Jego masa jest znacznie większa niż pozostałych kwarków (około 40 razy większa od masy kwarka dolnego, drugiego najcięższego kwarka). Ze względu na niską średnią żywotność 5mi^-25 s hadronisiertnie stanowi górnego kwarka, tworzy się w przeciwieństwie do lżejszych kwarków, więc nie ma stanów związanych z innymi kwarkami. Wstandardowym modelu fizyki cząstekkwark górny jest cząstką partnerską kwarka dolnego. Liczbakwantowasmakuzwiązana zkwarkiemgórnymtoszczyt.

Pokolenie

Mechanizmy produkcji kwarka górnego ( diagramy Feynmana )

Produkcja par t t przez fuzję gluonów

t produkcja indywidualna

t pojedyncza produkcja wraz z bozonem W

Ze względu na dużą masę, porównywalną do masy atomu złota, kwark górny może powstawać tylko w bardzo wysokoenergetycznych zderzeniach w akceleratorach cząstek . Było to możliwe w Tevatronie do 2011 r., a od 2008 r. w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), który obecnie pracuje z energią zderzenia 13 TeV.

Dominującym mechanizmem produkcji twarogu topowego jest produkcja par . W tym przypadku kwark górny i antykwark górny są generowane w wyniku oddziaływania silnego . Szczytość kwarka górnego wynosi +1, a antykwarka górnego -1. Szczytowość jest więc w całości zachowana. Do produkcji par, co najmniej dwukrotna energia spoczynkowa kwarka górnego (około 350 GeV) jest wymagana jako środek ciężkości .

Kwark górny może przenosić oddziaływanie słabe, może być również produkowany indywidualnie ( ang. single top quark production ). Jest to możliwe w połączeniu z dżetami cząstek lub w połączeniu z bozonem W . Pomimo wymaganej niższej energii środka ciężkości, powiązane przekroje są mniejsze, a zatem trudniejsze do zbadania ze względu na zaangażowanie słabego oddziaływania w porównaniu z wytwarzaniem par.

Rozkład

Przykład rozpadu pary top-antytop po zderzeniu proton-antyproton

Kwark górny jest jedynym kwarkiem masywniejszym od bozonu W. Podczas gdy bozon W pojawia się jako wirtualna cząstka tylko wtedy, gdy rozpadają się lżejsze kwarki , kwarki górne rozpadają się na prawdziwy bozon W i inny kwark, który w 96% przypadków jest kwarkiem dolnym. To jest powód jego niezwykle krótkiej żywotności. Rzeczywisty bozon W może wtedy rozpaść się hadronowo na kwark i antykwark, tak że w sumie powstaje kwark dolny, kolejny kwark i antykwark. Względna szerokość rozpadu dla tego wynosi

${\ displaystyle t \ do q {\ bar {q}} b \}$   (66,5 ± 1,3)%

W (anty) twarogi w swoim stanie końcowym hadronize celu wytworzenia strumieni o hadronów .

W przypadku leptonicznego rozpadu bozonu W naładowany lepton, neutrino i kwark dolny znajdują się w stanie końcowym:

${\ styl wyświetlania t \ do e ^ {+} \ nu _ {e} b \}$   (11,1 ± 0,3)%

${\ styl wyświetlania t \ do \ mu ^ {+} \ nu _ {\ mu} b \}$   (11,4 ± 0,2)%

${\ styl wyświetlania t \ do \ tau ^ {+} \ nu _ {\ tau} b \}$   (11,1 ± 0,9)%

Dla rozpadu górnych par antytopów istnieją trzy kanały zależne od rozpadu dwóch bozonów W , które prowadzą do różnych sygnałów w detektorach cząstek : W kanale w pełni hadronowym oba bozony W rozpadają się hadronowo, podczas gdy kanał (patrz rysunek) bozon W, aw kanale dileptonicznym oba bozony W rozpadają się leptonicznie.

fabuła

W 1973 Makoto Kobayashi i Toshihide Masukawa postulowali istnienie trzeciej generacji kwarków. Punktem wyjścia było znalezienie wyjaśnienia naruszenia CP . Za to obaj otrzymali w 2008 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki .

Wraz z dolnym kwarkiem, pierwszy kwark trzeciej generacji został odkryty w Fermilab w 1977 roku. Odkrycie kwarka szczytowego cząstki partnerskiej miało również miejsce w Fermilab w 1995 roku. W tym celu w Tevatronie zderzyły się protony i antyprotony o środku ciężkości 1800 GeV. Produkcję par kwarków górnych można było zademonstrować w eksperymentach CDF i DØ („D-zero”).

Jeszcze przed odkryciem bozonu Higgsa w 2012 roku precyzyjne pomiary masy kwarka górnego mogły zostać wykorzystane do określenia górnej granicy masy bozonu Higgsa dozwolonej w Modelu Standardowym. W 2004 roku ^{można było} wykluczyć masę bozonu Higgsa przekraczającą 251 GeV/c2 .

Dowody na indywidualną produkcję kwarków górnych zostały również uzyskane w 2009 r. przez CDF i DØ w Tevatronie. Indywidualną produkcję kwarków górnych w połączeniu z bozonem W można było zademonstrować w eksperymentach ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów w 2012 i 2013 roku. W 2018 roku w LHC można było zaobserwować produkcję bozonu Higgsa wraz z parą kwarka górnego i antykwarka górnego.

Indywidualne dowody

1. ↑ ^{a b c d} Informacje o właściwościach cząstek (pole informacyjne) zaczerpnięto z: PA Zyla et al. ( Particle Data Group ): Przegląd fizyki cząstek w 2020 r., Tabele podsumowujące kwarki. W: Teoria prognostyczna. Eksp.fizyczne 2020, 083C01 (2020). Particle Data Group, dostęp 24 czerwca 2021 r . 
2. ↑ ^{a b c} P.A. Żyła i in. ( Particle Data Group ): Przegląd fizyki cząstek w 2020 r., Recenzje: Top Quark. W: Teoria prognostyczna. Eksp.fizyczne 2020, 083C01 (2020). Particle Data Group, dostęp 24 czerwca 2021 r .  
3. ↑ Kevin Kröninger: Kwark górny. W: WeltDerPhysik.de. 31 marca 2016, udostępniono 21 czerwca 2021 . 
4. ↑ Fermilab | Historia i archiwa | Eksperymenty i odkrycia. Źródło 21 czerwca 2021 .  
5. ↑ Współpraca CDF, F. Abe, H. Akimoto, A. Akopian, MG Albrow: Obserwacja produkcji górnego kwarku w kolizjach p p z detektorem zderzaczy w Fermilab . W: Fizyczne listy kontrolne . taśma 74 , nie. 14 , 3 kwietnia 1995, s. 2626–2631 , doi : 10.1103 / PhysRevLett.74.2626 ( aps.org [dostęp 20 czerwca 2021]). 
6. ↑ Współpraca DØ, s. Abachi, B. Abbott, M. Abolins, BS Acharya: Obserwacja górnego kwarku . W: Fizyczne listy kontrolne . taśma 74 , nie. 14 , 3 kwietnia 1995, s. 2632–2637 , doi : 10.1103 / PhysRevLett.74.2632 ( aps.org [dostęp 20 czerwca 2021]). 
7. ↑ VM Abazov, B. Abbott, A. Abdesselam, M. Abolins, V. Abramov: Precyzyjny pomiar masy kwarka górnego . W: Przyroda . taśma 429 , nr. 6992 , czerwiec 2004, ISSN  1476-4687 , s. 638–642 , doi : 10.1038 / nature02589 ( nature.com [dostęp 21 czerwca 2021]). 
8. ^ Bozon Higgsa ujawnia swoje powinowactwo do kwarka górnego. 4 czerwca 2018, dostęp 13 lipca 2021 . 
9. ↑ Robert Gast: Mikrokosmos. Bozon Higgsa również lubi kwarki górne. 11 kwietnia 2018, dostęp 12 lipca 2021 .