9. Топ-кварк 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 (ττ~10-25с), 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.
Экспериментальные результаты исследования тор-кварка на БАК в первом цикле его работы оправдали ожидания. Измерены сечения парного и одиночного рождения топ-кварков, точность измерения массы топ-кварка практически достигла точности измерения на Теватроне. Определены многие характеристики процесса рождения и свойства топ-кварка. Приведенные ниже результаты анализа получены до конца 2013 г.
Топ кварк распадается на
W бозон и кварк q = (b,s,d), но в 90% (Г(W b)/Г(W q) = 0.91±0.04)
случаев таким кварком является b-кварк. Это означает, что для измерения топ
кварка необходимо использовать идентифицированные струи b кварков. Выделение W бозона возможно как по
его лептонной моде распада, так и по адронной с образованием адронных струй.
По типу распада W-бозона разделяют каналы наблюдения топ кварка как лептонную (оба W распадаются по
лептонному каналу), лептон-струйную ( только один из W распадается по
лептонному каналу) и адронную, или струйную моду (оба W распадаются по струйному
каналу). Струи b-кварков отличаются от струй более легких кварков присутствием вторичной вершины вблизи первичной вершины протонного соударения. Пример события с реконструкцией вторичной вершины в струе приведен на рис.9.3.
Характеристики парного рождения топ кварков Сечения рождения пар топ кварков является
важной проверкой расчетов высших порядков КХД. Последние расчеты
NNLO+NNLL для массы топ кварка mt = 172.5 ГэВ дали
значения сечения Это же значение mt использовано в анализе сечений топ кварков. Измеренное сечение рождения tt пар кварков в рр соударениях при 7 ТэВ в эксперименте ATLAS составило светимости 2.05 фб-1 (√s = 7ТэВ) = 189±13±20±7 пб, второе при интегральной светимости 0.75 фб-1 (√s = 7ТэВ) = 176±5(стат.)+14-11(сист.)±8(свет.) пб [4] . При 8 ТэВ выполнено два измерения. Одно для канала в лептон-струйной моде на интегральной светимости 5.8 фб-1 (√s = 8ТэВ) = 241±2±31±9 пб, второе на лептонной моде при интегральной светимости 20.3 фб-1 (√sм = 8ТэВ) = 237.7±1.7±7.4±7.4 ±4.0 пб [5]. На рис.9.5 приведены сечения рождения пар топ кварков t.
Измерения массы тор кварка приведены на рис.9.6. Видно, что точность измерений БАК для массы топ кварка mt =173.29 ±0.23±0.92 ГэВ достигла точности измерений на Теватроне, где измеренное значение mt =173.20 ±0.51±0.71 ГэВ. Анализ данных БАК продолжается и можно ожидать повышения точности измерений.
Рис.9.6. Результаты измерения массы топ кварка в эксперименте ATLAS в сравнении с суммарными результатами БАК и Теватрона на октябрь 2013 г. Нормированные дифференциальные сечения топ кварков и их поперечной массы mт, а также поперечной массы и быстроты обоих tt кварков измерени для рр взаимодействий при энергии 7 ТэВ на интегральной светимости 4.6 фб-1 [6]. Эти спектры содержат поправки на эффективность и разрешение детектора. Проведено их сравнение с расчетами различными Монте Карло генераторами. На рис.9.7 показаны распределения по поперечному импульсу топ кварков pTt. В целом экспериментальные данные согласуются с предсказанием генераторов в широком диапазоне переменных, некоторое расхождение наблюдается для значений pTt > 200 ГэВ/с. Расхождения присутствуют и при описании спектров масс и pT для пар топ кварков как в NLO, так и NLO+NNLL приближениях квантовой хромодинамики.
Рис.9.7. Распределение по поперечному импульсу 1/σ(dσ/dpTt) топ кварков в рр соударениях при 7 ТэВ в сравнении с предсказаниями NLO QCD [6]. . На тех же событиях проведено сравнение распределений по множественности струй njets. Струи выделялись по измерениям треков заряженных частиц в области ׀η׀<2.5 анти-кТ алгоритмом с радиусом R = 0.4 и с разными порогами для поперечного импульса струи (рТ = 25, 40, 60 и 80 ГэВ) [7]. На рис.9.8 приведены примеры таких распределений для событий, где топ кварк выделялся в распаде по каналу электрон + струя, и для порогов рТ = 25 и 80 ГэВ в сравнении с предсказаниями генераторов событий. На рисунках видно изменение в характере распределений и их расхождение с предсказаниями генератора MC@NLO+HERWIG. Предсказания других генераторов согласуются и данными в пределах их погрешностей.
Зарядовая асимметрия рождения топ кварков Несмотря на симметрию
протонных соударений, система из топ и анти-топ кварка может обладать зарядовой
асимметрией. Она определяется как АС = ((NΔ|y|>0)
− (NΔ|y|<0))/((NΔ|y|>0)
+ (NΔ|y|<0)), где
Δ|y| есть разность абсолютных значений быстроты топ кварка и анти-топ кварка
|yt| − |yt|. Эта асимметрия обусловлена вкладом механизма кварк-глюонного
рассеяния в рождение tt пар, который в лидирующем приближении очень
мал.
Разность масс t и t кварковСреди свойств тор кварков важными являются измерения разности масс топ и анти-топ кварков [10]. Они проведены для рр соударений при 7 ТэВ на интегральной светимости 4.7 фб-1 в событиях с одиночными лептонами (е,μ) в распадах tt . Измеренная разность масс Δm = mt – mt = 0.67±0.61(стат.)±0.41(сист.) и сопоставима с нулем, как это требует теорема СРТ инвариатности. Электрический заряд топ кварка Актуальным является также
измерение электрического заряда топ кварка, выполненное в эксперименте ATLAS для рр взаимодействий
при 7 ТэВ на интегральной светимости 2.05 фб-1 [11]. Проблема состоит
в том, что почти сразу после открытия топ кварка на Теватроне появилась
теоретическое указание [12] на возможность существование дополнительно другого
экзотического топ кварка с электрическим зарядом -4/3 и массой ~ 170
ГэВ, как и у стандартного топ кварка. Эксперимент ATLAS позволил не просто
убедиться в том, что наблюдаемое состояние является топ кварком Стандартной
модели, распадающимся на W+ и b-кварк, но выполнить прямое измерение его
электрического заряда. С экспериментальной точки зрения это возможность
продемонстрировать качество эксперимента в идентификации состояний, в том числе
правильной комбинации струй при формировании состояний Wb при рождении tt в системе W+W−bb.
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.
Определяется заряд
Корреляции спинов топ кварков Вследствие малой времени жизни топ кварк распадается до стадии адронизации. Это
означает, что спин топ кварка, которым он обладал в момент образования,
передается непосредственно продуктам его распада и может быть определен из
угловых распределений частиц распада. Теоретическое рассмотрение
предсказывает очень малую степень поляризация топ кварков в адронном рождении,
но присутствие корреляций их спинов. В эксперименте
ATLAS для рр взаимодействий
при 7 ТэВ на интегральной светимости 2.1 фб-1 были проверены две
гипотезы. Первая предполагала, что спины топ кварков при парном рождении
коррелированны в соответствие с ожиданиями Стандартной модели (СМ). Вторая
предполагала некоррелированное рождение топ кварков [13]. Тест предполагает
прецизионную проверку механизма рождения t пар и распада t кварка до того, как
сильное взаимодействие изменит ориентацию спинов. Существуют модели новой
физики, предсказывающие корреляции спинов, отличные от ожидаемых в СМ, при
одинаковых сечениях рождения топ кварков.
На рис.9.13 приведено экспериментальное распределение отобранных событий по разности азимутальных углов заряженных лептонов Δφ вместе с моделированными распределениями с корреляциями спинов по СМ и некоррелированным рождением кварков. Экспериментальное распределение ближе к варианту коррелированного рождения tt. Фитирование экспериментального распределения по бинам с использованием метода максимума правдоподобия было выполнено с коэффициентом ƒSM для вклада коррелированного по СМ рождения и с коэффициентом (1 − ƒSM) для вклада некоррелированного рождения. Значение ƒSM=0 соответствует отсутствию корреляций. Величина ƒSM > 1 указывает на наличие корреляций, превышающих уровень СМ. В результате было найдено значение ƒSM=1.30±0.14+0.22-0.27. Из него можно получить коэффициент корреляции А, определяемый по числу состояний с однонаправленными и разнонаправленными спинами кварков как
Опираясь на расчеты NLO, экспериментальная величина Аспир= 0.40 ± 0.04+0.08-0.07. Ожидаемое в СМ значение Аспир= 0.31 в согласии с наблюдениями. В результате делается заключение, что гипотеза некоррелированного рождения топ кварков на БАК исключается на уровне 5.1σ. Таким образом, получено важное подтверждение динамики рождения и распада топ кварков, согласующееся с ранее наблюдавшимся на Тэватроне.
Поляризация топ кварковНа полной интегральной светимости 4.7 фб-1, собранной в 2011г. для рр соударений при энергии 7 ТэВ, в эксперименте ATLAS выполнено измерение поляризации топ кварков [14]. События, использованные в анализе, соответствовали критериям, примененным при измерении корреляции спинов [13]. Отбирались однолептонные (t→ ℓνqb) и двухлептонные (t → ℓ+νℓ−b) распады пар t. Двойные дифференциальные сечения лептонов по полярному углу θ
где θ1 (θ2) угол вылета
лептона от распада t() кварка. Коэффициент С представляет корреляцию
спинов топ кварков, Р1 (Р2) представляет степень
поляризации топ (анти-топ) кварка относительно выбранной оси квантования, αi
есть спин-анализирующая способность выбранного продукта распада (лептона),
показывающая, насколько чувствительна выбранная
частица к спиновому состоянию частицы-родителя. В лидирующем порядке КХД лептоны
и нижние кварки от распада Wимеют наибольшую спин-анализирующую способность
с α
= 1. В качестве базиса спиральности ось квантования выбирается по
направлению импульса топ кварка в системе покоя tt пары. Распределения по cosθl выбраны для определения
параметра αlР. На рис.9.14 приведены распределения по cos θl для лептонов
положительного заряда (слева) и отрицательного (справа) и для однолептонных
(верхний ряд) событий распада и двухлептонных (нижний ряд). Отклонения от
равномерного характера распределений обусловлены аксептансом детектора.
Распределения аппроксимировались с использованием шаблонов. Шаблоны были
получены с учетом корреляций спинов топ кварков С =
0.31 в соответствии с
предсказаниями СМ. Были сделаны два варианта шаблонов. В первом варианте
предполагалось, что поляризация обусловлена процессом, сохраняющим СР-четность.
В этом случае параметры αlР одинаковы для топ и анти-топ
кварков, и распределения ℓ+ и ℓ− одинаковы.
Во втором варианте предполагался механизм, максимально нарушающий СР-четность.
Он характерен для сценариев новой физики. В этом случае параметры αlР
имеют равные и противоположные по знаку для топ и анти-топ кварка. Положительный
знак αlР присваивается положительным лептонам ℓ+.
Шаблоны были получены для значений αlР = ±0.3.
Определялась доля ƒ распределения с положительным значением αlР
при учете правильных сечений рождения пар топ кварков. Величина поляризации αlР
= 0.6ƒ – 0.3. Пунктирными гистограммами на рис.9.14 показаны модельные
расчеты для случая сохранения СР четности с параметрами αlР
=0, ±0.3. Аналогично выглядят распределения для второго варианта расчетов
с нарушением СР четности.
Поляризация W в распадах топ кварков В эксперименте ATLAS выполнено
измерение поляризации W-бозонов в распадах t пар кварков
[15]. Были использован набор события рр соударений с интегральной светимостью
1.04 фб-1 с одним или двумя лептонами (е,μ, включая лептоны от τ
распадов), недостающим поперечным импульсом и как минимум двумя струями. . Для анализа экспериментальных распределений по cos θ* были смоделированы шаблоны для распадов заданной спиральности, показанные на рис.9.16. Результаты аппроксимации экспериментальных распределений по cos θ* и предсказания Стандартной модели приведены на рис.9.17.
Итоговые результаты анализа, выполненные также методом измерения асимметрии распределений, показаны на рис.9.18. Их значения F0 = 0.67 ± 0.07; FL= 0.32 ± 0.04 и FR = 0.01± 0.05 находятся в согласии с расчетами NNLOQCD [16].
Из измерений с помощью программы TopFit получены новые ограничения для констант связи, обусловленные вкладом новой физики, более жесткие, чем существовавшие ранее [17]. Эти пределы могут быть получены непрямым образом из анализа радиационных распадов В-мезонов, смешивания В – В и прецизионных электрослабых данных с использованием модельных предположений. Проведенный анализ не использует дополнительных предположений. Одиночное рождение топ кварка Основная доля
топ кварков на адронных коллайдерах рождается в результате сильного
взаимодействия, сохраняющего ароматы кварков. Слабое взаимодействие, включающее
трехчастичную вершину Wtb (рис.9.15), может приводить к
одиночному рождению топ кварка. Одиночное рождение включает три подпроцесса
(механизма): обмен виртуальным W бозоном в t или s – канале и
ассоциированное рождение топ кварка и W бозона на
массовой поверхности. Диаграммы процессов приведены на рис.9.19. Наибольшее
сечение имеет процесс t-канального рождения
В работе [22] проведено измерение сечения процесса рождения топ кварка в t- канале,
другие два процесса рассматривались как фоновые, их сечения брались в
соответствие в предсказаниями Стандартной модели. Отбирались события с одним
лептоном (е,μ,τ), двумя или тремя адронными струями с большим поперечным
импульсом и недостающей поперечной энергией ЕТнед.. Одна
из струй идентифицирована как струя b кварка.
Использовались данные рр соударений, собранные при
Аналогичным методом в работе [23] было измерено сечение одиночного рождения топ кварка в t-канале для рр взаимодействий при энергии 8 ТэВ на светимости 5.8 фб-1. Сечение найдено равным σt = 95 ± 18 пб. Результаты измерений сечения одиночного рождения топ кварка в t-канале в эксперименте ATLAS приведены на рис.9.21. Сравнение результатов измерений ATLAS и CMS при 8 ТэВ и результат их объединения показаны на рис. 9.22. [24].
Сечение ассоциированного рождения W и t в эксперименте ATLAS измерено в рр взаимодействиях при энергиях 7 [25] и 8 ТэВ [26]. Лидирующие диаграммы ассоциированного W и t рождения при взаимодействии глюона и b-кварка приведены на рис.9.23. Такие события содержат два W(второй от распада t кварка) и струю b-кварка от распада t-кварка. Анализ выполнен с использованием алгоритма деревьев решений BDT. Сечение σ(рр → Wt + Х) = 16.8 ± 2.9(стат.) ± 4.9(сист.) пб при 7 ТэВ на интегральной светимости 2.05 фб-1 и 27.2 ± 2.8(стат.) ± 5.4(сист.) пб при 8 ТэВ на интегральной светимости 20.3 фб-1.
Значимость найденных сигналов составила 3.3σ при 7 ТэВ и 4.2σ при 8 ТэВ. Ниже приведены значения коэффициента |Vtb| по серии измерений одиночного рождения топ кварка в эксперименте ATLAS. Лучшая достигнутая точность составила 10% по измерениям t-канального рождения при 8 ТэВ [27].
Литература к разделу 9
|