<< Vstupitel'noe slovo perevodchika | Oglavlenie | Kommentarii perevodchika >>

Otkrytie t-kvarka

Donal'd Perkins

(iz 4-go angliiskogo izdaniya "Vvedeniya v fiziku vysokih energii")

Shestoi i poslednii iz kvarkov top-kvark (-kvark) byl eksperimental'no obnaruzhen lish' v 1995 godu, to est' pochti cherez 20 let posle otkrytiya v 1977 godu predshestvuyushego kvarka - -kvarka. Massa top-kvarka neozhidanno okazalas' ochen' bol'shoi 175 GeV. Shestoi kvark byl otkryt v Fermilabe (N.N.: to est' vo FNAL-e - Nacional'noi uskoritel'noi laboratorii im.E.Fermi, SShA) na kollaidere s energiei 1.8 TeV v sisteme centra mass. Dlya polucheniya odnogo sobytiya s -kvarkami trebuetsya primerno stolknovenii protonov i antiprotonov. Procedura obnaruzheniya top-kvarka zasluzhivaet podrobnogo opisaniya ne tol'ko potomu, chto ona vazhna sama po sebe, no i potomu, chto podobnye metody shiroko ispol'zuyutsya i budut ispol'zovat'sya pri detektirovanii chastic vysokih energii na vseh osnovnyh , i kollaiderah.

Na risunkah 2 (b)-(d) pokazany feinmanovskie diagrammy processov, kotorye dominiruyut pri obrazovanii -pary na kollaidere. Ozhidaetsya, chto posle obrazovaniya para top-kvarkov preterpevaet raspad, kotoryi preimushestvenno idet po sheme:

Estestvenno, chto massa -kvarka bol'she summy mass -kvarka i -bozona. Prelestnye i -kvarki fragmentiruyut v adronnye strui, v to vremya kak -bozony mogut raspast'sya kak po leptonnym kanalam ( ), tak i na adronnye strui ( ). Sledovatel'no, detektor dolzhen byt' sposoben identificirovat' zaryazhennye leptony i adrony, izmeryat' ih energiyu i napravlenie v prostranstve. Odnako vremena zhizni -kvarkov i -bozonov prenebrezhimo maly, a -mezon, obrazovavshiisya iz -kvarka, zhivet sekund, chto sootvetstvuet probegu poryadka milimetra. Takim obrazom, raspad -mezona mozhet byt' identificirovan po vtorichnoi vershine, otstoyashei ot pervichnoi vershiny obrazovaniya pary -kvarkov. Rasstoyanie mezhdu pervichnoi i vtorichnoi vershinami v napravlenii, perpendikulyarnom osi puchkov, ochevidno ravno , gde - poperechnyi impul's -mezona. Kinematika raspada trebuet bol'shih , i ogranicheniya na poperechnyi impul's nalagayutsya tak, chtoby bylo mnogo bol'she poperechnyh razmerov ( 50 mikron) stalkivayushihsya puchkov.

Obnaruzhenie -kvarka proizoshlo s pomosh'yu dvuh detektorov CDF [8] i D0 [9] (N.N.: nazvaniya detektorov chitayutsya "Si Di Ef" i "Di Ziro" sootvetstvenno; oba detektora rabotayut na proton-antiprotonnom kollaidere Tevatron vo FNAL-e). Na risunke 3 predstavlena shema detektora CDF. Detektor sostoit iz sverhprovodyashego solenoida 5-i metrov v dlinu i 3-h metrov v diametre, sozdayushego magnitnoe pole napryazhennost'yu 1,4 Tesla v cilindricheskoi dreifovoi kamere. Kamera ispol'zuetsya dlya izmereniya koordinat i impul'sov zaryazhennyh chastic. Sverhprovodyashii magnit okruzhen elektromagnitnym i adronnym ionizacionnymi kalorimetrami. Kalorimetry nuzhny dlya izmereniya energii elektronov, fotonov i adronov. V svoyu ochered', kalorimetry okruzheny myuonnymi detektorami. Myuonnyi detektor predstavlyaet soboi sendvich iz zheleznogo poglotitelya i dreifovyh kamer. Vse prostranstvo detektora razdeleno na tri sektora. Esli otschityvat' napravlenie po uglu ot osi puchka, to central'nyi sektor zanimaet prostranstvo v uglovoi mere. Na perednii i zadnii sektora ostaetsya po prostranstva mezhdu central'nym sektorom i os'yu puchka. V leptonnyh raspadah -bozonov voznikayut neitrino ( ), kotorye ne registriruyutsya v detektore. Neitrino unosyat s soboi nekotoruyu dolyu energii i poperechnogo impul'sa (tak nazyvaemye "poteryannaya energiya" i "poteryannyi impul's"). Poetomu ochen' vazhno, chtoby kalorimetry bez zazorov i shelei pokryvali sushestvennuyu chast' telesnogo ugla (), v kotoryi letyat vtorichnye chasticy. Nakonec, vysokoe razreshenie kremnievyh mikrostripovyh detektorov, raspolozhennyh neposredstvenno vokrug osi puchka, daet vozmozhnost' tochnogo izmereniya traektorii chastic, zakanchivayushihsya v tochke peresecheniya puchkov, i pozvolyaet izmeryat' vtorichnye vershiny, svyazannye v raspadami -mezonov. Na risunke 4 privedeny fotografii kollaidera Tevatron i detektorov CDF i D0.

Iz vseh processov (1) naimen'shim fonom obladayut processy, v kotoryh oba -bozona raspadayutsya po leptonnym kanalam, t.e. ili . V etom sluchae k dileptonnoi signature raspadov sleduet dobavit' dve adronnye strui ot raspadov -mezonov. Oba zaryazhennyh leptona dolzhny imet' poperechnyi impul's, udovletvoryayushii usloviyu GeV/s. Dlya izmereniya energii i napravleniya dvizheniya vtorichnoi chasticy v prostranstve, vvoditsya velichina , kotoraya nosit nazvanie poperechnoi energii . Polnaya poperechnaya energiya sobytiya est' summa vida . Esli vse chasticy v sobytii byli zaregistrirovany, to . Sushestvovanie v sobytii disbalansa energii ili, chto tozhe samoe, poteryannoi poperechnoi energii ukazyvaet na nalichie neprovzaimodeistvovavshih v detektore vtorichnyh chastic (neitrino). Na velichinu poteryannoi poperechnoi energii nakladyvaetsya sleduyushee ogranichenie: GeV. Dlya togo, chtoby ponizit' fon ot leptonnyh raspadov -bozonov ( ) vvodyatsya dopolnitel'nye usloviya, chtoby treki ot zaryazhennyh leptonov raznogo znaka byli prostranstvenno razdeleny i invariantnaya massa dileptonnoi pary ne popadala v interval GeV.

Vtoroi sposob registracii -pary sostoit v tom, chtoby otbirat' sobytiya, v kotoryh odin iz -bozonov raspalsya po leptonnomu kanalu, a drugoi na paru , to est' na adrony. Podobnaya konfiguraciya voznikaet v 30% vseh sobytii, v to vremya kak chisto leptonnye kanaly realizuyutsya tol'ko v 5% sluchaev. Dlya otbora dannogo kanala trebuetsya nalichie odnogo zaryazhennogo leptona i treh ili bolee adronnyh strui ot , i . Potencial'no bol'shoi fon v etom sluchae ponizhaetsya pri pomoshi trebovanii k otchetlivomu vosstanovleniyu vershiny raspada po men'shei mere odnogo -mezona. Tretii sposob sostoit v tom, chtoby vydelyat' sobytiya s "zhestkim leptonom" ( GeV/s) ot raspada -bozona, tri ili bolee adronnye strui ot raspada drugogo -bozona i odnogo iz -mezonov i "myagkii" lepton ( GeV/s) ot leptonnogo raspada vtorogo -mezona.

V pervyh eksperimental'nyh seansah oba detektora zaregistrirovali 12 sobytii s dvumya leptonami i dvumya adronnymi struyami pri ozhidaemom fone 2,5 sobytiya. 86 sobytii imeli odin zhestkii lepton i, po men'shei mere, tri adronnye strui. V dopolnenie k etomu libo vosstanavlivalas' vtorichnaya vershina raspada, libo imelsya dopolnitel'nyi myagkii lepton. Ozhidaemyi fon dlya etih sluchaev sostavlyal 37 sobytii. Fitirovanie massy -kvarka po zaregistrirovannym sobytiyam pokazalo, chto ona ravna GeV (N.N.: D.Perkins privodit ustarevshee znachenie; sovremennoe znachenie massy -kvarka sostavlyaet GeV). Velichina s uchetom radiacionnyh popravok elektroslaboi teorii horosho soglasuetsya s teoreticheskimi predskazaniyami.

Znaya impul'snye raspredeleniya kvarkov i antikvarkov pri stolknovenii protonov i antiprotonov, mozhno vychislit' sechenie obrazovaniya -pary kak funkciyu . Provedem grubuyu ocenku. Iz risunka 2 (a) i (b) mozhno videt' analogiyu mezhdu processami i . Pervyi idet (v lidiruyushem poryadke) za schet obmena odnim fotonom, vtoroi - za schet obmena odnim glyuonom. V ul'trarelyativistskom predele

gde -kvadrat polnoi energii v sisteme centra mass (SCM) , -konstanta elektromagnitnogo vzaimodeistviya. Analogichno poluchaem, chto

gde -kvadrat energii kvark-antikvarkovoi pary v SCM, -konstanta sil'nogo vzaimodeistviya, a faktor 2/9 svyazan s nalichiem u kvarkov cveta. Esli i kvarki ne ul'trarelyativistskie (chto opredelenno ne proishodit pri stolknoveniyah protonov i antiprotonov s energiei 1,8 TeV v sisteme centra mass), to v formule (3) neobhodim popravochnyi mnozhitel' poryadka 0,75, kotorym my budem prenebregat' v dal'neishem. Legko pokazat', chto esli -kvadrat energii stalkivayushihsya i v SCM, to porog obrazovaniya -pary opredelyaetsya soglasno vyrazheniyu

gde i - doli impul'sa protona (i antiprotona), unosimye kvarkami (i antikvarkami), pri vzaimodeistvii kotoryh obrazuetsya -para. Dlya togo, chtoby naiti sechenie obrazovaniya , neobhodimo chislenno prointegrirovat' (3) s uchetom funkcii raspredeleniya i kvarkov v protone i antikvarkov v antiprotone sootvetstvenno i usloviya (4). Prinyav, chto , i TeV, nahodim

gde my ispol'zovali sistemu edinic , 1 TeV^-1 = 1.97^.10^-17 sm i 1 pikobarn 1 pb = 10^-36 sm². Velichina yavlyaetsya veroyatnost'yu togo, chto i kvarki v protone i antiprotone imeyut , chto dlya kollaidera v Fermilabe ekvivalentno . Ispol'zuya dlya ocenki izvestnye iz eksperimentov funkcii raspredeleniya, mozhno predpolozhit', chto velichina (5) sostavlyaet neskol'ko pb. Krome togo, nuzhno prinyat' vo vnimanie vklad diagramm ris. 2 (c) i 2 (d), blagodarya kotorym -para obrazuetsya v processe sliyaniya glyuonov. Polnye teoreticheskie vychisleniya dayut pb, chto horosho soglasuetsya s eksperimental'nym znacheniem secheniya pb.

Nakonec otmetim, chto top-kvark unikalen i absolyutno ne pohozh na drugie kvarki. On nastol'ko massiven, chto mozhet raspadat'sya s obrazovaniem real'nogo -bozona. Iz soobrazhenii razmernosti mozhno ozhidat', chto shirina raspada budet ravna , gde -konstanta Fermi. Vsledstvie togo, chto veliko, poluchaetsya bol'shoe chislennoe znachenie dlya shiriny raspada 1,4 GeV. Poetomu vremya zhizni -kvarka mnogo men'she harakternogo vremeni adronnyh vzaimodeistvii, kotoroe po poryadku velichiny est' , gde 0,2 GeV. Takim obrazom, -sistema stol' korotkozhivushaya, chto ne imeet svyazannyh sostoyanii, kak eto bylo v sluchae charmoniya i bottomiya, kotorym hvatalo vremeni dlya obrazovaniya svyazannyh sostoyanii.

---

<< Vstupitel'noe slovo perevodchika | Oglavlenie | Kommentarii perevodchika >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: fizika elementarnyh chastic - kvarki Publikacii so slovami: fizika elementarnyh chastic - kvarki

Sm. takzhe: Podtverzhdennaya precessiya myuonov ostaetsya neob'yasnimoi Svyaz' kvarkov s kosmosom: dvenadcat' nauchnyh voprosov dlya novogo veka Publichnaya lekciya laureata Nobelevskoi premii: Rozhdenie tvorcheskih idei Precessiya myuonov otkryvaet dver' v supersimmetrichnuyu Vselennuyu? Slishkom tyazhelyi Higgs Narushenie chetnosti pri elektron-elektronnyh vzaimodeistviyah Pentakvark, opyat' pentakvark? Vse publikacii na tu zhe temu >>