Открытие t-кварка Дональд Перкинс

Открытие  t-кварка

Дональд Перкинс

(из 4-го английского  издания "Введения  в физику высоких  энергий")

Шестой  и последний из кварков top-кварк ( -кварк) был экспериментально обнаружен лишь в 1995 году, то есть почти через 20 лет после открытия в 1977 году предшествующего кварка - -кварка. Масса top-кварка неожиданно оказалась очень большой 175 ГэВ. Шестой кварк был открыт в Фермилабе (Н.Н.: то есть во FNAL-е - Национальной ускорительной лаборатории им.Э.Ферми, США) на коллайдере с энергией 1.8 ТэВ в системе центра масс. Для получения одного события с -кварками требуется примерно столкновений протонов и антипротонов. Процедура обнаружения top-кварка заслуживает подробного описания не только потому, что она важна сама по себе, но и потому, что подобные методы широко используются и будут использоваться при детектировании частиц высоких энергий на всех основных , и коллайдерах.

На рисунках 2 (b)-(d) показаны фейнмановские диаграммы процессов, которые доминируют при образовании -пары на коллайдере. Ожидается, что после образования пара top-кварков претерпевает распад, который преимущественно идет по схеме:

Естественно, что  масса  -кварка больше суммы масс -кварка и -бозона. Прелестные и -кварки фрагментируют в адронные струи, в то время как -бозоны могут распасться как по лептонным каналам ( ), так и на адронные струи ( ). Следовательно, детектор должен быть способен идентифицировать заряженные лептоны и адроны, измерять их энергию и направление в пространстве. Однако времена жизни -кварков и -бозонов пренебрежимо малы, а -мезон, образовавшийся из -кварка, живет секунд, что соответствует пробегу порядка милиметра. Таким образом, распад -мезона может быть идентифицирован по вторичной вершине, отстоящей от первичной вершины образования пары -кварков. Расстояние между первичной и вторичной вершинами в направлении, перпендикулярном оси пучков, очевидно равно , где - поперечный импульс -мезона. Кинематика распада требует больших , и ограничения на поперечный импульс налагаются так, чтобы было много больше поперечных размеров ( 50 микрон) сталкивающихся пучков.

Обнаружение -кварка произошло с помощью двух детекторов CDF [8] и D0 [9] (Н.Н.: названия детекторов читаются "Си Ди Эф" и "Ди Зиро" соответственно; оба детектора работают на протон-антипротонном коллайдере Tevatron во FNAL-е). На рисунке 3 представлена схема детектора CDF. Детектор состоит из сверхпроводящего соленоида 5-и метров в длину и 3-х метров в диаметре, создающего магнитное поле напряженностью 1,4 Тесла в цилиндрической дрейфовой камере. Камера используется для измерения координат и импульсов заряженных частиц. Сверхпроводящий магнит окружен электромагнитным и адронным ионизационными калориметрами. Калориметры нужны для измерения энергии электронов, фотонов и адронов. В свою очередь, калориметры окружены мюонными детекторами. Мюонный детектор представляет собой сэндвич из железного поглотителя и дрейфовых камер. Все пространство детектора разделено на три сектора. Если отсчитывать направление по углу от оси пучка, то центральный сектор занимает пространство в угловой мере. На передний и задний сектора остается по пространства между центральным сектором и осью пучка. В лептонных распадах -бозонов возникают нейтрино ( ), которые не регистрируются в детекторе. Нейтрино уносят с собой некоторую долю энергии и поперечного импульса (так называемые "потерянная энергия" и "потерянный импульс"). Поэтому очень важно, чтобы калориметры без зазоров и щелей покрывали существенную часть телесного угла ( ), в который летят вторичные частицы. Наконец, высокое разрешение кремниевых микростриповых детекторов, расположенных непосредственно вокруг оси пучка, дает возможность точного измерения траекторий частиц, заканчивающихся в точке пересечения пучков, и позволяет измерять вторичные вершины, связанные в распадами -мезонов. На рисунке 4 приведены фотографии коллайдера Tevatron и детекторов CDF и D0.

Из всех процессов (1) наименьшим фоном обладают процессы, в которых оба -бозона распадаются по лептонным каналам, т.е. или . В этом случае к дилептонной сигнатуре распадов следует добавить две адронные струи от распадов -мезонов. Оба заряженных лептона должны иметь поперечный импульс, удовлетворяющий условию ГэВ/с. Для измерения энергии и направления движения вторичной частицы в пространстве, вводится величина , которая носит название поперечной энергии . Полная поперечная энергия события есть сумма вида . Если все частицы в событии были зарегистрированы, то . Существование в событии дисбаланса энергий или, что тоже самое, потерянной поперечной энергии указывает на наличие непровзаимодействовавших в детекторе вторичных частиц (нейтрино). На величину потерянной поперечной энергии накладывается следующее ограничение: ГэВ. Для того, чтобы понизить фон от лептонных распадов -бозонов ( ) вводятся дополнительные условия, чтобы треки от заряженных лептонов разного знака были пространственно разделены и инвариантная масса дилептонной пары не попадала в интервал ГэВ.

Второй способ регистрации  -пары состоит в том, чтобы отбирать события, в которых один из -бозонов распался по лептонному каналу, а другой на пару , то есть на адроны. Подобная конфигурация возникает в 30% всех событий, в то время как чисто лептонные каналы реализуются только в 5% случаев. Для отбора данного канала требуется наличие одного заряженного лептона и трех или более адронных струй от , и . Потенциально большой фон в этом случае понижается при помощи требований к отчетливому восстановлению вершины распада по меньшей мере одного -мезона. Третий способ состоит в том, чтобы выделять события с "жестким лептоном" ( ГэВ/с) от распада -бозона, три или более адронные струи от распада другого -бозона и одного из -мезонов и "мягкий" лептон ( ГэВ/с) от лептонного распада второго -мезона.

В первых экспериментальных  сеансах оба детектора зарегистрировали 12 событий с двумя лептонами  и двумя адронными струями  при ожидаемом фоне 2,5 события. 86 событий имели один жесткий лептон и, по меньшей мере, три адронные струи. В дополнение к этому либо восстанавливалась вторичная вершина распада, либо имелся дополнительный мягкий лептон. Ожидаемый фон для этих случаев составлял 37 событий. Фитирование массы -кварка по зарегистрированным событиям показало, что она равна ГэВ (Н.Н.: Д.Перкинс приводит устаревшее значение; современное значение массы -кварка составляет ГэВ). Величина с учетом радиационных поправок электрослабой теории хорошо согласуется с теоретическими предсказаниями.

Зная импульсные распределения кварков и антикварков  при столкновении протонов и антипротонов, можно вычислить сечение образования  -пары как функцию . Проведем грубую оценку. Из рисунка 2 (а) и (b) можно видеть аналогию между процессами и . Первый идет (в лидирующем порядке) за счет обмена одним фотоном, второй - за счет обмена одним глюоном. В ультрарелятивистском пределе

где -квадрат полной энергии в системе центра масс (СЦМ) , -константа электромагнитного взаимодействия. Аналогично получаем, что

где -квадрат энергии кварк-антикварковой пары в СЦМ, -константа сильного взаимодействия, а фактор 2/9 связан с наличием у кварков цвета. Если и кварки не ультрарелятивистские (что определенно не происходит при столкновениях протонов и антипротонов с энергией 1,8 ТэВ в системе центра масс), то в формуле (3) необходим поправочный множитель порядка 0,75, которым мы будем пренебрегать в дальнейшем. Легко показать, что если -квадрат энергии сталкивающихся и в СЦМ, то порог образования -пары определяется согласно выражению

где и - доли импульса протона (и антипротона), уносимые кварками (и антикварками), при взаимодействии которых образуется -пара. Для того, чтобы найти сечение образования , необходимо численно проинтегрировать (3) с учетом функций распределения и кварков в протоне и антикварков в антипротоне соответственно и условия (4). Приняв, что , и ТэВ, находим

где мы использовали систему единиц , 1 ТэВ^-1 = 1.97^.10^-17 см и 1 пикобарн 1 пб = 10^-36 см². Величина является вероятностью того, что и кварки в протоне и антипротоне имеют , что для коллайдера в Фермилабе эквивалентно . Используя для оценки известные из экспериментов функции распределения, можно предположить, что величина (5) составляет несколько пб. Кроме того, нужно принять во внимание вклад диаграмм рис. 2 (c) и 2 (d), благодаря которым -пара образуется в процессе слияния глюонов. Полные теоретические вычисления дают пб, что хорошо согласуется с экспериментальным значением сечения пб.

Наконец отметим, что top-кварк уникален и абсолютно  не похож на другие кварки. Он настолько  массивен, что может распадаться  с образованием реального  -бозона. Из соображений размерности можно ожидать, что ширина распада будет равна , где -константа Ферми. Вследствие того, что велико, получается большое численное значение для ширины распада 1,4 ГэВ. Поэтому время жизни -кварка много меньше характерного времени адронных взаимодействий, которое по порядку величины есть , где 0,2 ГэВ. Таким образом, -система столь короткоживущая, что не имеет связанных состояний, как это было в случае чармония и боттомия, которым хватало времени для образования связанных состояний.

Вступительное слово переводчика

Данное вступительное  слово расчитано на неспециалистов. В нем кратко обрисоввываются  контуры современной физики высоких  энергий и даются ответы на некоторые  распространенные вопросы, возникающие  у любителей науки при первом знакомстве с квантовой теорией. Подготовленный читатель может пропустить вступительное слово и сразу перейти к чтению статьи Дональда Перкинса "Открытие t-кварка". А читатель, знакомый с методами квантовой теории поля, способен понять и не только все написанное Д.Перкинсом, но и дополнительные вычисления, приведенные в разделе "Комментарии переводчика".

История исследования элементарных частиц и фундаментальных  взаимодействий насчитывает более двух с половиной тысяч лет и восходит к идеям древнегреческих натурфилософов о строении Мира. Однако серьезная научная разработка данного вопроса началась только в конце XIX-го века. В 1897 году выдающийся английский физик-экспериментатор Дж.Дж.Томсон определил отношение заряда электрона к его массе. Тем самым, электрон окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества.