Программа по изучению топ-кварка

Особенности топ-кварка

Прежде всего, стоит пояснить, с чем связан интерес к детальным исследованиям именно топ-кварков.

Топ-кварк — самый тяжелый кварк, и более того, это самая тяжелая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 171,4 ± 2,1 ГэВ. Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока на одном лишь ускорителе — Тэватроне (на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения). Физики шутят, что с запуском LHC топ-кварки наконец-то «увидят» и в Старом свете.

Большая масса топ-кварка интересует физиков еще и по следующим причинам.

• Масштаб нарушения электрослабой симметрии v = 246 ГэВ. Массы всех остальных фермионов (как лептонов, так и кварков) намного меньше этого значения, а масса топ-кварка — нет. Это всё наводит на мысль, что топ-кварк может (или должен?) принимать очень активное участие в механизме нарушения электрослабой симметрии, а не просто быть пассивным наблюдателем, как другие фермионы. Например, один из неминимальных вариантов хиггсовского механизма опирается на конденсат топ-кварк–антикварковых пар.
• В стандартной модели массы фермионов определяются по формуле m_f = g_f v/√2, где g_f — безразмерная константа связи фермиона с хиггсовским полем. Для топ-кварка соответствующая константа g_t примерно равна единице. Случайно ли такое совпадение или в нём есть глубокий смысл, пока неизвестно.
• Петли с виртуальными топ-кварками дают самый большой вклад в петлевые поправки к свойствам хиггсовских бозонов (к эффективному потенциалу и к массе бозона Хиггса).
• Несмотря на то, что топ-кварк распадается за счет слабого взаимодействия и что такие распады обычно протекают медленно, в данном случае из-за большой массы топ-кварка этот распад происходит на редкость быстро, заметно быстрее типичного адронного масштаба времени. За время своей жизни они успевают пролететь дистанцию порядка 0,1 фм, и на них не успевает повлиять конфайнмент кварков. Получается, топ-кварки рождаются и распадаются фактически свободными, не успев образовать мезоны.

Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения хиггсовского бозона. Один из наиболее важных каналов рождения хиггсовского бозона на LHC — ассоциативное рождение вместе с топ-кварк–антикварковой парой. Для того чтобы надежно отделять такие события от фона, надо вначале хорошо изучить свойства самих топ-кварков.

Что планируется изучать на LHC

• Несмотря на то что топ-кварки уже изучались на Тэватроне, именно LHC станет настоящей «фабрикой» топ-кварков. Сечение рождения топ-кварк–антикварковых пар возрастет по сравнению с Тэватроном в сто раз, и при проектной светимости LHC (которая тоже на порядки превышает светимость Тэватрона) ожидается по 80 миллионов кварк-антикварковых пар и 34 миллиона одиночных топ-кварков в год.
• Этого будет достаточно, чтобы измерить массу топ-кварка с точностью лучше 1 ГэВ и изучить разнообразные каналы распада. Если в распадах топ-кварка появится какая-то экзотика, то ее можно будет заметить, даже если вероятность такого распада составляет одну миллионную.
• В некоторых вариантах хиггсовского механизма появляются заряженные хиггсовские бозоны. Если они достаточно легкие, то они могут быть среди продуктов распада топ-кварка, и это может стать даже главным каналом рождения заряженных хиггсовских бозонов.
• Изучение ассоциативного рождения бозона Хиггса с t–анти-t-парой позволит измерить константу связи g_t с точностью до 15%. Это измерение будет важно для выяснения роли топ-кварков в нарушении электрослабой симметрии.
• Если существуют резонансы с массой больше 2m_t, они будут хорошо видны как всплески в сечении рождения топ-кварковых пар. Другой вариант, возможный в суперсимметричных моделях, — рождение тяжелых партнеров топ-кварка, в распаде которого встречается и сам топ-кварк. Наконец, возможны экзотические ситуации, приводящие к множественному рождению топ-кварков. Задача экспериментаторов сейчас — разработать эффективные системы распознавания разнообразных событий такого рода.

Дополнительная литература:

• Н. В. Никитин. Физика элементарных частиц и t-кварк.
• Б. А. Арбузов. Открытие самой тяжелой элементарной частицы // СОЖ. No 9, с. 94–99 (1996).
• T. Han. The «Top priority» at the LHC // arXiv:0804.3178.
• G. Svetic. Top quark condensation // Rev. Mod. Phys. 71 (1999) 513–574 (hep-ph/9702381).