Quarktopp

Quarktopp
KlassifiseringElementær partikkel
FamilieFermioner
GruppeQuark
GenerasjonTredje
InteraksjonerSterk , svak , elektromagnetisk , gravitasjon
Symbolt (t - )
AntipartikkelAntikvarktopp ( t )
TeoretiserteMakoto Kobayashi og Toshihide Maskawa (1973) [1]
OppdagelseSamarbeid CDF og DØ , 1995
Fysiske egenskaper
Masse173,1 ± 1,3  GeV / c 2 [2]
Gjennomsnittlig liv5 × 10 −25  s
ForfallsprodukterBunnkvark (99,8%),
merkelig kvark (0,17%),
nedkvark (0,007%)
Elektrisk ladning2⁄3 og
Masse fargerJepp
Snurre rundt½

Toppkvarken (vanligvis forkortet til t-kvark ) , noen ganger kalt sannhetskvarken , er en tredjegenerasjonskvark med en positiv elektrisk ladning på + 2⁄3 e .

Toppkvarken er den desidert mest massive elementærpartikkelen : den siste målingen av massen er 171,77 ± 0,38 GeV ( LHC - akselerator CMS -eksperiment fra 2022 med data fra 2016 [3] ). Den forrige var 173,1 ± 1,3  GeV / c 2 , [4] nesten som for atomkjernen av gull .

Den samhandler hovedsakelig med den sterke interaksjonen , men kan bare forfalle gjennom den svake kraften . Den forfaller nesten utelukkende til et W-boson og en bunnkvark . Standardmodellen forutsier at levetiden er omtrent 5 × 10 −25  sekunder, [5] som er 20 ganger raskere enn tidsskalaen for sterke interaksjoner; dermed har den ikke hadron , noe som gir fysikere en unik mulighet til å studere en "naken" kvark.

Den ble oppdaget i 1995 av CDF og DØ [6] [7] eksperimenter ved Fermilab laboratoriet i Chicago , USA .

Oppdagelse

I 1973 spådde fysikerne Makoto Kobayashi og Toshihide Maskawa eksistensen av en tredje generasjons kvark for å forklare bruddet på CP -paritet i kaon- forfall . [1] Navnene på "topp" og "bunn" kvarker ble introdusert av Haim Harari i 1975, [8] [9] for å korrelere dem med første generasjons kvarker opp og ned kvarker i forhold til det faktum at de var spinnet komponenter opp og ned i en svak isospin-dublett . [10] Toppkvarken ble også kalt "sannhetskvarken", men ordet "topp" er nå dominerende selv om de begge har samme initiale "t" som brukes i forkortelser. [11]

Kobayashi og Maskawas idé var basert på GIM-mekanismen foreslått av Sheldon Lee Glashow , John Iliopoulos og Luciano Maiani , [12] som forutså eksistensen av den hittil aldri observerte sjarmkvarken . Da i november 1974 to uavhengige team som jobbet ved henholdsvis Brookhaven National Laboratory (BNL) og Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) samtidig kunngjorde oppdagelsen av J/ψ-mesonen , ble det raskt identifisert som en bundet tilstand av den savnede sjarmkvarken og dens antikvark. Oppdagelsen førte til at GIM-mekanismen ble en del av standardmodellen . [1. 3]

Med aksept av GIM-mekanismen fikk Kobayashi og Maskawas spådom troverdighet, noe som ble ytterligere forsterket av oppdagelsen av tau-partikkelen av teamet ledet av Martin Lewis Perl ved SLAC mellom 1974 og 1978. [14]

Dette introduserte en tredje generasjon leptoner , som brøt symmetrien mellom leptoner og kvarker introdusert av GIM-mekanismen. Reetableringen av symmetri innebar eksistensen av en femte og en sjette kvark.

Den femte kvarken, bunnen , ble identifisert kort tid etter i 1977 av E238-eksperimentgruppen utført av Leon Lederman ved Fermilab . [15] [16] [17]

Dette resultatet antydet sterkt eksistensen av den sjette kvarken, toppen, for å fullføre paret. Det var kjent at massen må ha vært større enn bunnens, og dermed krevde mer energi for å lage den under kollisjonen av partikler, men man trodde at oppdagelsen ville komme snart. I stedet tok det ytterligere 18 år før eksistensen av toppen ble bekreftet. [18]

Etter en rekke mislykkede forsøk på både SLAC og DESY i Hamburg, var det oppdagelsen av W- og Z-bosonene ved Super Proton Synchrotron (SPS) ved CERN som ga ny drivkraft til søket etter "toppen" og bekreftet at massen måtte være høyere enn 77 GeV / c2. [18]

Inntil CERNs LHC kom i drift , var Fermilabs Tevatron den eneste partikkelakseleratoren med en kraft som var i stand til å produsere toppkvarken . Det var imidlertid nødvendig å legge til en andre detektor, D-nullen, og i oktober 1992 ga de to gruppene et første hint om oppdagelsen av en mulig hendelse som inneholdt toppen. Først i 1995 var imidlertid de to forskningsgruppene i stand til i fellesskap å kunngjøre oppdagelsen av toppkvarken med en indikativ p-verdi på 5σ og indikerte en masse på 176,18 GeV/c 2 . [6] [7] [18]

I de påfølgende årene ble det lagt merke til at presisjonen av massemålingene til vektorbosonene til den elektrosvake kraften og deres koblinger var svært følsomme for verdien av massen til toppkvarken. Utviklingen av teknikkene som førte til svært nøyaktige beregninger av disse verdiene tillot Gerardus' t Hooft og Martinus Veltman å vinne Nobelprisen i fysikk i 1999. [19] [20]

Den første akseleratoren med tilstrekkelig energi til å produsere toppkvarken var Fermilab Tevatron , en proton - antiprotonkolliderer med et massesenterenergi på 1,96 TeV . Siden høsten 2009 har Large Hadron Collider kommet i drift ved CERN : når den jobber med full kapasitet vil den være i stand til mye høyere energi i massesenteret, opp til ca.14  TeV .

Det er to hovedprosesser rettet mot å produsere toppkvarker:

  • Momentproduksjon gjennom sterke interaksjoner . Dette er den hyppigste og best studerte prosessen; den ble observert for første gang i 1995 samtidig i de to forsøkene CDF og DØ .
  • Enkeltproduksjon gjennom den svake kraften . Denne prosessen er omtrent dobbelt så sjelden som den forrige og vanskeligere å observere på grunn av tilstedeværelsen av mange andre prosesser som etterligner den samme signaturen. Det ble første gang observert i mars 2009 samtidig av de to samarbeidene CDF og D0.

Standardmodellen beskriver massene av fermioner gjennom Higgs- mekanismen . Higgs -bosonet utfører en Yukawa-kobling til høyre og venstre chirale toppkvarker ; når den ifølge teorien får en vakuumforventningsverdi (bryter samtidig den elektrosvake symmetrien), blandes venstre og høyre komponenter og blir til et masseledd og Lagrangian viser en spontan symmetri som bryter med formen:

Yukawa-koblingen av toppkvarkene har en verdi på

hvor er det

er vakuumforventningsverdien til Higgs-bosonet.

Den store Yukawa-koblingen til toppkvarken er indirekte bevis til fordel for et elementært Higgs-boson (i motsetning til et sammensatt Higgs-boson).

Merknader

  1. ^ a b M. Kobayashi, T. Maskawa, CP - Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction , in Progress of Theoretical Physics , vol. 49, 1973, s. 652,DOI:10.1143 / PTP.49.652.
  2. ^ Arkivert kopi , på pdglive.lbl.gov . Hentet 4. september 2015 (arkivert fra originalen 12. juli 2012) .
  3. ^ Målt med den høyeste nøyaktigheten noensinne, massen til Top Quark, som stabiliteten til universet avhenger av , i dday.it 19. april 2022. Hentet 19. april 2022 .
  4. ^ En kombinasjon av CDF- og D0-resultater på massen til toppkvarken, arxiv hep-ex / 0903.2503v1
  5. ^ A. Quadt, Top quark physics at hadron colliders , i European Physical Journal C , vol. 48, 2006, s. 835-1000, DOI : 10.1140 / epjc / s2006-02631-6 .
  6. ^ a b F. Abe et al . (CDF Collaboration), Observation of Top Quark Production in p Collisions with the Collider Detector at Fermilab , i Physical Review Letters , vol. 74, 1995, s. 2626-2631, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.74.2626 .
  7. ^ a b S. Abachi et al . (DØ Collaboration), Søk etter High Mass Top Quark Production in p Collisions at √s = 1,8 TeV , in Physical Review Letters , vol. 74, 1995, s. 2422–2426, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.74.2422 .
  8. ^ H. Harari, En ny kvarkmodell for hadroner , i Physics Letters B , 57B, 1975, s. 265, DOI : 10.1016 / 0370-2693 (75) 90072-6 .
  9. ^ KW Staley, The Evidence for the Top Quark , Cambridge University Press , 2004, s. 31–33, ISBN 978-0-521-82710-2 .  
  10. ^ DH Perkins, Introduksjon til høyenergifysikk , Cambridge University Press , 2000, s. 8, ISBN 0-521-62196-8 .  
  11. ^ F. Close, The New Cosmic Onion , CRC Press , 2006, s. 133, ISBN 1-58488-798-2 .  
  12. ^ SL Glashow, J. Iliopoulous, L. Maiani, Weak Interactions with Lepton – Hadron Symmetry , i Physical Review D , vol. 2, 1970, s. 1285–1292, DOI : 10.1103 / PhysRevD.2.1285 .
  13. ^ A. Pickering, Constructing Quarks: A Sociological History of Particle Physics , University of Chicago Press , 1999, s. 253-254, ISBN 978-0-226-66799-7 .  
  14. ^ ML Perl et al. , Evidence for Anomalous Lepton Production in Annihilation , i Physical Review Letters , vol. 35, n. 22, 1975, s. 1489, DOI : 10.1103 / PhysRevLett . 35.1489 .
  15. ^ Discoveries at Fermilab - Discovery of the Bottom Quark , fnal.gov , Fermilab , 7. august 1977. Hentet 24. juli 2009 .
  16. ^ LM Lederman, Logbook: Bottom Quark , i Symmetry Magazine , vol. 2, nei. 8, 2005 (arkivert fra originalen 4. oktober 2006) .
  17. ^ SW Herb et al ., Observasjon av en Dimuon-resonans ved 9,5 GeV i 400-GeV Proton-Nucleus Collisions , i Physical Review Letters , vol. 39, 1977, s. 252, DOI : 10.1103 / PhysRevLett . 39.252 .
  18. ^ a b c TM Liss, PL Tipton, The Discovery of the Top Quark ( PDF ), i Scientific American , 1997, s. 54–59.
  19. ^ Nobelprisen i fysikk 1999 , på nobelprize.org , Nobel Foundation . Hentet 10. september 2009 .
  20. ^ Nobelprisen i fysikk 1999, pressemelding , på nobelprize.org , Nobelstiftelsen , 12. oktober 1999. Hentet 10. september 2009 .

Bibliografi

Relaterte elementer

Eksterne lenker