Топ-кварк
(t) был открыт на Тэватроне в 1995 г. С его открытием были полностью
сформированы три поколения базисных частиц Стандартной модели и
появилась новая область физики частиц – физика топ-кварка.
Топ-кварк рождается преимущественно в адронных взаимодействиях и
быстро распадается, не успевая сформировать адронное состояние.
Распад топ-кварка происходит преимущественно по каналу t→ Wb,
где W
затем распадается на лептоны или адронные струи. Большая масса
топ-кварка ставит вопрос, обусловлена ли она механизмом Хиггса
Стандартной модели или имеет более фундаментальное значение для
механизма нарушения электрослабой симметрии. Физика вне Стандартной
модели может с большой вероятностью проявиться как в процессах
рождения, так и распада топ-кварка. Дальнейшее продвижение
произойдет, когда будет накоплено большое количество пар топ-кварков
и станет возможным измерить поляризацию топ-кварка и W-бозона,
связанную с аномалиями Wtb
вершины, редкие распады топ-кварка, чувствительные к физике вне
Стандартной модели, или новые резонансы, распадающиеся с образованием
пар t-кварков.
Ускоритель
LHC будет фабрикой t-кварков. Миллионы пар топ-кварков будут
зарегистрированы в детекторе ATLAS
при интегральной светимости 10 фб-1,
ожидаемая за первые годы работы LHC. Регистрация топ-кварков включает
в работу практически все системы детектора.
Большая
энергия LHC позволит исследовать процесс одиночного образования t- и
анти t-кварков, осуществляемых через механизм электрослабого
взаимодействия, с высокой точностью и исследовать Wtb
вершину.
В
протон-протонных взаимодействиях LHC топ-кварк образуется как в
глюонном рассеянии, так и рассеянии кварка на антикварке.
Относительные вклады процессов зависят от энергии и природы пучков:
на LHC доминируют глюонные рассеяния (90% событий), тогда как на
Тэватроне преобладают рассеяния кварков. Расчетное сечение рождения
t-кварков на LHC составляет 833±100 пб. Это соответствует
образованию 83 тысяч пар t-кварков на начальной интегральной
светимости 100 пб-1,
или порядка 107
пар в год. Диаграммы образования t-кварков в лидирующем порядке КХД
приведены на рис. 12.1.
Рис.12.1.
Диаграммы образования t-кварков в лидирующем порядке КХД :
глюон-глюонное рассеяние (а), (b), кварк-кварковое рассеяние (с).
Рис.12.2.
Лептон-струйный канал распада tt̃ – пары. За лептоны здесь
принимаются только мюон и электрон.
На
рис.12.2 приведена схема распада tt̃ – пары, где один из W
распался по адронному каналу с образованием двух струй, другой по
лептонному. Вероятность такого канала составляет 43,5%. В 10,3%
случаев оба W распадаются по лептонному каналу. В остальных 46,2%
образуется состояние из шести струй: четыре от распада топ-кварков и
две от b-кварков. Первые два типа распада предпочтительнее для
выделения и анализа.
В
Стандартной модели существуют три механизма одиночного рождения
t-кварка. Диаграммы этих механизмов приведены на рис.12.3. В
t-канальный
механизм дают вклад слияние W
и глюона и t-канальный
обмен. Другие механизмы составляют ассоциированное рождение W
и t
( Wt канал) и рождение в s-канале.
Сечение одиночного рождения t-кварка для LHC оценивается в 320 пб
( NLO,
в следующем за лидирующим порядке теории возмущений КХД).
Рис.12.3.
Диаграммы трех механизмов одиночного рождения t-кварка в лидирующем
порядке теории возмущений КХД: t-канальный;
W t
– ассоциированное рождение и s-канальный.
Монте-Карло
моделированный набор событий рождения tt̃ –кварков
производился генератором MC@ NLO,
где учитывался вклад следующего за лидирующим порядка, фрагментация и
адронизация моделировались с HERWIG,
а сопутствующие события моделировались с помощью Jimmy.
Применялись и другие способы моделирования. Для моделирования
одиночного рождения t-кварка использовался генератор AcerMC
матричного элемента, а процессы фрагментации и адронизации
моделировались с помощью PYTHIA. Отдельно моделировалось много
событий различных фоновых процессов.
В
качестве триггера образования t-кварка используются триггеры на
электрон, мюон, струю с большими поперечными импульсами, а также
большая недостающая поперечная энергия. Большое количество объектов
триггера делает выделение событий с рождением топ-кварков
эффективным.
Целью
LHC является измерение массы t-кварка с точностью 1 ГэВ. Эти
измерения предполагается выполнить в трех струйном канале t→
lνb qqb,
где требуемую точность должно обеспечить измерение трех кварковых
струй qqb.
Для этого нужно уметь надежно измерять энергии струй от легких
кварков (u, d, s и c) в области t-распада.
На рис.12.4 показано разрешение определения энергии струй легких
кварков для разных алгоритмов выделения струй.
Рис.12.4.
Разрешение при определении энергии струй легких кварков для разных
алгоритмов выделения струй.
Результаты
реконструкции массы W
по энергиям двух струй легких кварков приведены на рис.12.5 для
сигнальных и фоновых событий. Результаты моделирования показывают,
что массу W
при распаде на два легких кварка можно измерить надежно, трудность
состоит в правильном измерении струи b-кварка.
Наиболее эффективным представляется алгоритм выделения струи с малым
радиусам раскрытия R.
Рис.12.5.
Инвариантная масса двух струй, которые отнесены к адронному распаду
W. Сигнал и фон соответствуют интегральной светимости 1 фб-1.
Для реконструкции струй использовался инклюзивный кт-алгоритм в Е
схеме с радиусом струи R=0,4. Точки соответствуют сигналу с фоном,
нижняя гистограмма относится к фоновым событиям.
При
использовании разработанных методов идентификации струй от b-кварков
измерение массы топ-кварков осуществляется с требуемой точностью. На
рис.12.6 показан спектр эффективных масс трех струй в событиях с tt̃
, одиночным топ-кварком и фоновыми событиями W+струя. На рисунке
справа те же события, но с условием ограничения массы W. Эти данные
позволяют определить сечение образования пар топ-кварков на начальном
этапе работы со статистической точностью 4,5% при интегральной
светимости 100 пб-1.
Систематическая погрешность при этом составляет 4,9%.
Рис.12.6.
Спектр эффективных масс трех струй в событиях с tt̃ , одиночным
топ-кварком и фоновыми событиями W+струя. На рисунке справа (b)те
же события, но с ограничением на массу W.
Измерение
сечения одиночного рождение топ-кварка в t-канале и в Wt-канале
станет возможным при интегральной светимости в несколько фб-1.
При светимости 10 фб-1
статистическая погрешность с определении сечения составит 20%. Для
определения сечения рождения в в s-канале
потребуется большая светимость.
На
светимости 1 фб-1
детектор ATLAS может исследовать свойства топ-кварка и возможный
вклад физики вне Стандартной модели. Прежде всего, будут выполнены
прямые измерения электрического заряда t-кварка. Он заключается в
определении взвешенной суммы зарядов всех адронов в струе b-кварка:
где qi и pi - заряд и импульс частиц струи, j – вектор
направления оси струи, k – коэффициент, оптимизирующий расчеты.
Показано, что для детектора ATLAS k = 0,5.
Другой
способ определения заряда t-кварка основан на определении заряда
струи b-кварка
через определение заряда неизолированного лептона внутри этой струи.
Этот лептон преимущественно определяется типом распадающегося b-
или анти b-кварка,
но могут быть отклонения, связанные с осцилляциями нейтральных
В-мезонов или присутствием в струе D-мезона, который является
продуктом распада В-мезона и может образовать лептон другого заряда
при своем распаде. Экспериментальное значение заряда струи b-кварка
путем моделирования с учетом фоновых событий найдено равным Qкомб=
- 0,094 ± 0,0042 (стат.погр.). Распределение величин Qкомб
показано на рис.12.7.
Заряд
t-кварка определяется следующим образом. Заряд b-кварка
Q b = -1/3. используя реконструированный заряд
b-струи,
можно определить калибровочный коэффициент
Сb
= Q b/
Qкомб
= 3,54 ± 0,16. Тогда электрический заряд топ-кварка есть
Qt
= Q(l+)
+ (Qb+)∙Cb,
где l+
- заряд лептона и Qb+ - заряд струи b-кварка.
Для анти t-кварка эти заряды имеют отрицательный знак.
Реконструированные распределения величины заряда t-кварка показаны на
рис.12.7 (b).
Реконструированное значение модуля величины заряда t-кварка, с учетом
анти t, по этим данным составило Qt
комб = 0,67
± 0,06 (стат.) ± 0,08 (сист.). Таким образом,
обеспечивается надежное проведение измерений на интегральной
светимости 1 фб-1.
Измерение
поляризации W
и t-кварка в событиях с tt̃ парами кварков служит выяснению природы
механизмов образования и распада t-кварка
и поиску новой физики за пределами Стандартной модели. Информация о
спинах W
и t
определяется из угловых распределений продуктов их распада в системе
покоя W
или t-кварка,
соответственно. Расчеты показывают, что точность от 1% до 5% в
измерении поляризации может быть достигнута при интегральной
светимости 10 фб-1.