Topp kvark - Top quark

Topp kvark
	En kollisjonshendelse som involverer toppkvarker
Sammensetning	Elementær partikkel
Statistikk	Fermionisk
Generasjon	Tredje
Interaksjoner	sterk , svak , elektromagnetisk kraft , tyngdekraft
Symbol	; t;
Antipartikkel	Topp antikvark (; t; )
Teoretisert	Makoto Kobayashi og Toshihide Maskawa (1973)
Oppdaget	CDF og DØ samarbeid (1995)
Masse	172,76 ± 0,3 GeV / c 2
Forfaller inn i	bunnkvark (99,8%) ; merkelig kvark (0,17%) ; nedkvark (0,007%)
Elektrisk ladning	+ 2/3 e
Fargelading	Ja
Snurre rundt	1/2
Topness	1
Svak isospin	LH : +1/2, RH : 0
Svak hyperlading	LH : +1/3, RH : +4/3

Den øverste kvark , noen ganger også referert til som sannhet kvark , (symbol: t) er den mest massive av alle observerte elementærpartikler . Den henter sin masse fra koblingen til Higgs Boson . Denne koblingen er veldig nær enhet; i standardmodellen for partikkelfysikk er den den største (sterkeste) koblingen på skalaen til de svake interaksjonene og over. Toppkvarken ble oppdaget i 1995 av CDF- og DØ- eksperimentene på Fermilab . ${\ displaystyle y_ {t}}$

Som alle andre kvarker er toppkvarken en fermion med spinn 1/2og deltar i alle fire grunnleggende interaksjoner : gravitasjon , elektromagnetisme , svake interaksjoner og sterke interaksjoner . Den har en elektrisk ladning på +2/3 e . Den har en masse på172,76 ± 0,3 GeV / c ² , som ligger i nærheten av rhenium atom masse. Den anti av topp kvark er den øverste sjarmkvark (symbol: t , noen ganger kalt antitop kvarg eller bare antitop ), som skiller seg fra den bare i at noen av dets egenskaper har lik størrelse men har motsatt fortegn .

Toppkvarken samhandler med gluoner av den sterke interaksjonen og produseres vanligvis i hadron kollidere via denne interaksjonen. Imidlertid, når den først er produsert, kan toppen (eller antitop) bare forfalle gjennom den svake kraften . Det forfaller til et W-boson og enten en bunnkvark (hyppigst), en merkelig kvark , eller i sjeldne tilfeller en dunkvark .

Standardmodellen bestemmer toppkvarkens gjennomsnittlige levetid for å være omtrent5 × 10 ⁻²⁵ s . Dette handler om en tyvendedel av tidsskalaen for sterke interaksjoner, og det danner derfor ikke hadroner , noe som gir fysikere en unik mulighet til å studere en "bar" kvark (alle andre kvarker hadderonisert , noe som betyr at de kombinerer med andre kvarker for å danne hadroner og kan bare observeres som sådan).

Fordi toppkvarken er så massiv, tillot dens egenskaper indirekte bestemmelse av massen til Higgs boson (se § Mass og kobling til Higgs boson nedenfor). Som sådan blir toppkvarkens egenskaper grundig studert som et middel til å skille mellom konkurrerende teorier om ny fysikk utover standardmodellen. Toppkvarken er den eneste kvarken som har blitt observert direkte på grunn av at den forfaller raskere enn hadroniseringstiden.

Historie

I 1973 spådde Makoto Kobayashi og Toshihide Maskawa eksistensen av en tredje generasjon kvarker for å forklare observerte CP-brudd i kaon- forfall . Navnene topp og bunn ble introdusert av Haim Harari i 1975, for å matche navnene på den første generasjonen av kvarker ( opp og ned ) som gjenspeiler det faktum at de to var "opp" og "ned" -komponenten i en svak isospin- dublett .

Forslaget fra Kobayashi og Maskawa baserte seg sterkt på GIM-mekanismen fremsatt av Sheldon Lee Glashow , John Iliopoulos og Luciano Maiani , som forutsa eksistensen av den da fremdeles ubemerkede sjarmkvarken . (Den andre andregenerasjons kvarken, den merkelige kvarken , ble allerede oppdaget i 1968.) Da i november 1974 kunngjorde team ved Brookhaven National Laboratory (BNL) og Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) oppdagelsen av J / ψ meson , det ble kort tid etter identifisert som en bundet tilstand av den manglende sjarmkvarken med sin antikvark. Denne oppdagelsen tillot at GIM-mekanismen ble en del av standardmodellen. Med aksept av GIM-mekanismen fikk Kobayashi og Maskawas spådommer også troverdighet. Saken deres ble ytterligere styrket av oppdagelsen av tauet av Martin Lewis Perls team på SLAC mellom 1974 og 1978. Tau kunngjorde en tredje generasjon leptoner , og brøt den nye symmetrien mellom leptoner og kvarker introdusert av GIM-mekanismen. Restaurering av symmetrien antydet eksistensen av en femte og sjette kvark.

Det var faktisk ikke lenge til en femte kvark, bunnen, ble oppdaget av E288 eksperimentteamet , ledet av Leon Lederman i Fermilab i 1977. Dette antydet sterkt at det også må være en sjette kvark, toppen, for å fullføre paret. . Det var kjent at denne kvarken ville være tyngre enn bunnen, og krevde mer energi for å skape i partikkelkollisjoner, men den generelle forventningen var at den sjette kvarken snart ville bli funnet. Det tok imidlertid ytterligere 18 år før eksistensen av toppen ble bekreftet.

Tidlige søk etter toppkvarken i SLAC og DESY (i Hamburg ) kom tomhendt opp. Da Super Proton Synchrotron (SPS) på CERN tidlig på 1980-tallet oppdaget W-bosonen og Z-bosonen , ble det igjen kjent at oppdagelsen av toppen var nært forestående. Da SPS fikk konkurranse fra Tevatron på Fermilab, var det fortsatt ingen tegn til den manglende partikkelen, og det ble kunngjort av gruppen på CERN at toppmassen må være minst41 GeV / c ² . Etter et løp mellom CERN og Fermilab for å oppdage toppen nådde gasspedalen på CERN sine grenser uten å lage en eneste topp, og presset nedre grense på massen opp til77 GeV / c ² .

Tevatron var (til starten av LHC- operasjonen på CERN i 2009) den eneste hadron-kollideren som var kraftig nok til å produsere toppkvarker. For å kunne bekrefte en fremtidig oppdagelse ble en annen detektor, DØ-detektoren , lagt til komplekset (i tillegg til Collider Detector at Fermilab (CDF) som allerede er tilstede). I oktober 1992 fant de to gruppene sitt første hint om toppen, med en enkelt skapelsesbegivenhet som så ut til å inneholde toppen. De neste årene ble det samlet inn flere bevis, og den 22. april 1994 sendte CDF-gruppen sin artikkel med foreløpige bevis for eksistensen av en toppkvark med en masse på ca.175 GeV / c ² . I mellomtiden hadde DØ ikke funnet mer bevis enn den antydende hendelsen i 1992. Et år senere, 2. mars 1995, etter å ha samlet inn mer bevis og analysert DØ-dataene (som ble søkt etter en mye lettere topp), to grupper rapporterte i fellesskap oppdagelsen av toppen i en masse176 ± 18 GeV / c ² .

I årene frem til oppdagelsen av topp-kvark ble det innsett at visse presisjonsmålinger av de elektrosvake vektor-bosonmassene og -koblingene er veldig følsomme for verdien av topp-kvarkmassen. Disse effektene blir mye større for høyere verdier av toppmassen og kan derfor indirekte se toppkvarken selv om den ikke kunne oppdages direkte i noe eksperiment på den tiden. Den største effekten fra toppkvarkmassen var på T-parameteren , og innen 1994 hadde nøyaktigheten av disse indirekte målingene ført til en prediksjon av toppkvarkmassen til å være mellom145 GeV / c ² og185 GeV / c ² . Det er utviklingen av teknikker som til slutt tillot slike presisjonsberegninger som førte til at Gerardus 't Hooft og Martinus Veltman vant Nobelprisen i fysikk i 1999.

Eiendommer

Ved den endelige Tevatron-energien på 1,96 TeV ble topp-antitop-par produsert med et tverrsnitt på ca. 7 picobarns (pb). Den Standardmodellen prediksjon (ved neste til ledende orden med $m t =$ 175 GeV / c ² ) er 6,7–7,5 pb.
W-bosonene fra toppkvarkråter bærer polarisering fra moderpartikkelen, og stiller seg derfor som en unik sonde til toppolarisering.
I standardmodellen er toppkvarken spådd å ha et rotasjonskvantum på 1 ⁄ 2 og elektrisk ladning + 2 ⁄ 3 . En første måling av topp kvark ladning er blitt publisert, noe som resulterer i omtrent 90% konfidensgrense at topp kvark ladning er faktisk + 2- / 3- .

Produksjon

Fordi toppkvarker er veldig massive, trengs store mengder energi for å skape en. Den eneste måten å oppnå så høye energier på er gjennom høyenergikollisjoner. Disse forekommer naturlig i jordens øvre atmosfære når kosmiske stråler kolliderer med partikler i luften, eller kan opprettes i en partikkelakselerator . I 2011, etter at Tevatron opphørte, ble Large Hadron Collider på CERN den eneste akseleratoren som genererer en stråle med tilstrekkelig energi til å produsere toppkvarker, med en massesenterenergi på 7 TeV. Det er flere prosesser som kan føre til produksjon av toppkvarker, men de kan konseptuelt deles inn i to kategorier: topp-par-produksjon og single-top-produksjon.

Toppkvarkpar

gluon – gluon fusjon

t-kanal

kvark – antiquark utslettelse

Det vanligste er produksjon av et topp-antitop-par via sterke interaksjoner . I en kollisjon opprettes en svært energisk gluon , som deretter forfaller til en topp og antitop. Denne prosessen var ansvarlig for de fleste av de hendelser på Tevatronen og var prosessen observeres når toppen først ble oppdaget i 1995. Det er også mulig å produsere par av topp-antitop ved nedbrytning av et mellomprodukt foton eller Z-boson . Imidlertid er disse prosessene spådd å være mye sjeldnere og ha en praktisk talt identisk eksperimentell signatur i en hadron kolliderer som Tevatron.

Enkelt toppkvarker

s-kanal

t-kanal

TV-kanal

Produksjonen av enkle toppkvarker via svak interaksjon er en tydelig annen prosess. Dette kan skje på flere måter (kalt kanaler): Enten et mellomliggende W-boson forfaller til en topp og antibottkvarker ("s-kanal") eller en bunnkvark (sannsynligvis opprettet i et par gjennom forfallet av et gluon) forvandles til en toppkvark ved å bytte et W-boson med en opp- eller nedkvark ("t-kanal"). En enkelt toppkvark kan også produseres i tilknytning til et W-boson, noe som krever en bunnkvark fra begynnelsestilstand ("tW-channel"). De første bevisene for disse prosessene ble utgitt av DØ-samarbeidet i desember 2006, og i mars 2009 ga CDF- og DØ-samarbeidet ut tvillingsartikler med den definitive observasjonen av disse prosessene. Hovedbetydningen ved å måle disse produksjonsprosessene er at frekvensen er direkte proporsjonal med $| V tb | 2-$ komponent av CKM-matrisen .

Forfall

Alle mulige endelige tilstander av forfallet til et toppkvarkpar

Den eneste kjente måten den øverste kvarken kan forfalle på, er gjennom svak interaksjon , og produserer et W-boson og en bunnkvark . På grunn av sin enorme masse er toppkvarken ekstremt kortvarig, med en forventet levetid på bare5 × 10 ⁻²⁵ s . Som et resultat har ikke toppkvarker tid før de forfaller til å danne hadroner som andre kvarker gjør. Fraværet av en hadron rundt toppkvarken gir fysikere den unike muligheten til å studere oppførselen til en "bar" kvark.

Spesielt er det mulig å direkte bestemme forgreningsforholdet Γ (W ⁺ b) / Γ (W ⁺q | q = b, s, d) . Den beste nåværende bestemmelsen av dette forholdet er0,91 ± 0,04 . Siden dette forholdet er lik $| V tb | 2 i$ henhold til standardmodellen , gir dette en annen måte å bestemme CKM-elementet $| V tb |$ , eller i kombinasjon med bestemmelsen av $| V tb |$ fra en topproduksjon gir tester for antagelsen om at CKM-matrisen er enhetlig.

Standardmodellen tillater også mer eksotiske forfall, men bare på ett sløyfenivå, noe som betyr at de er ekstremt sjeldne. Spesielt kan det tenkes at en toppkvark kan forfalle til en annen up-type kvark (en opp eller en sjarm) ved å avgi en foton eller et Z-boson. Imidlertid har søk etter disse eksotiske forfallsmodusene ikke ført bevis for at de forekommer, i samsvar med forventningene til standardmodellen. Forgreningsforholdene for disse forfallene er bestemt til å være mindre enn 5,9 i 1000 for fotonisk forfall og mindre enn 2,1 i 1000 for Z bosonforfall ved 95% konfidens .

Masse og kobling til Higgs boson

Standardmodellen genererer fermionmasser gjennom koblingene til Higgs boson . Dette Higgs boson fungerer som et felt som fyller feltet. Fermjoner samhandler med dette feltet i forhold til deres individuelle koblingskonstanter , som genererer masse. En lav massepartikkel, slik som elektron har en forsvinnende liten kopling , mens den øverste kvark har den største kobling til Higgs, . Disse koblingene kalles vanligvis Higgs – Yukawa- koblingene, og de varierer sakte ettersom energiskalaen de blir målt med varieres på grunn av en kvanteeffekt som kalles renormaliseringsgruppen . ${\ displaystyle y_ {i}}$ ${\ displaystyle y _ {\ text {electron}} = 2 \ ganger 10 ^ {- 6}}$ ${\ displaystyle y _ {\ text {t}} \ simeq 1}$

I standardmodellen er alle kvark og lepton Higgs – Yukawa koblinger små sammenlignet med topp-kvark Yukawa koblingen. Dette hierarkiet i fermionmassene forblir et dyptgående og åpent problem i teoretisk fysikk. Higgs-Yukawa-koblinger er ikke faste naturkonstanter, ettersom verdiene deres varierer sakte som energiskalaen (avstandsskalaen) de måles på. Denne dynamikken til Higgs-Yukawa-koblinger, kalt "løpende koblingskonstanter", skyldes en kvanteeffekt som kalles renormaliseringsgruppen .

Higgs-Yukawa-koblingene av opp, ned, sjarm, rare og bunnkvarker antas å ha små verdier på den ekstremt høye energiskalaen til stor enhet, 10 ¹⁵ GeV. De øker i verdi ved lavere energiskalaer, hvor kvarkmassene genereres av Higgs. Den svake veksten skyldes korreksjoner fra QCD- koblingen. Korrigeringene fra Yukawa-koblingene er ubetydelige for kvarkene med lavere masse.

En av de rådende synspunktene i partikkelfysikk er at størrelsen på toppkvarken Higgs – Yukawa-kobling bestemmes av en unik ikke-lineær egenskap til renormaliseringsgruppeligningen som beskriver driften av den store Higgs – Yukawa-koblingen av toppkvarken. Hvis en kvark Higgs-Yukawa-kobling har en stor verdi ved veldig høye energier, vil dens Yukawa-korreksjoner utvikle seg nedover i masseskala og avbrytes mot QCD-korreksjonene. Dette er kjent som et (kvasi-) infrarødt fast punkt , som først ble spådd av B. Pendleton og GG Ross og av CT Hill. Uansett hva den opprinnelige startverdien til koblingen er, hvis den er tilstrekkelig stor, vil den nå denne faste punktverdien. Den tilsvarende kvarkmassen blir deretter spådd.

Topp-kvark Yukawa-koblingen ligger veldig nær det infrarøde faste punktet til standardmodellen. Renormaliseringsgruppeligningen er:

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

hvor $g 3$ er fargemålerkoblingen, $g 2$ er den svake isospin- målekoblingen , og $g 1$ er den svake hyperladningskoblingen. Denne ligningen beskriver hvordan Yukawa-koblingen endres med energiskala $μ$ . Løsninger på denne ligningen for store innledende verdier $y t$ får høyre side av ligningen til å nærme seg null, og låser $y t$ til QCD-koblingen $g 3$ .

Verdien av toppkvarkens faste punkt bestemmes ganske nøyaktig i standardmodellen, noe som fører til en toppkvarkmasse på 220 GeV. Dette er omtrent 25% større enn den observerte toppmassen og kan tyde på ny fysikk ved høyere energiskalaer.

Det kvasi-infrarøde faste punktet ble deretter grunnlaget for toppkvark kondensasjonsteorier for elektrosvak symmetribrudd, der Higgs boson er sammensatt på ekstremt korte avstandsskalaer, sammensatt av et par topp- og antitop-kvarker. Den forutsagte toppkvarkmassen kommer i bedre samsvar med det faste punktet hvis det er flere Higgs-skalarer utover standardmodellen og kan indikere at en rik spektroskopi av nye Higgs-felt ligger i energiskalaer som kan prøves med LHC og dens oppgraderinger .

Se også

Fotnoter

Referanser

Videre lesning

Frank Fiedler; for D0; CDF Collaborations (juni 2005). "Top Quark Production and Properties at the Tevatron". arXiv : hep-ex / 0506005 .
R. Nave. "Quarks" . Hyperfysikk . Georgia State University , Institutt for fysikk og astronomi . Hentet 29.06.2008 .
A. Pickering (1984). Konstruksjon av kvarker . University of Chicago Press . s. 114–125. ISBN 978-0-226-66799-7.

Languages

In other projects