Семинары

Топ-кварк: гипотезы, результаты, ожидания

В мае в конференц-зале УНЦ ОИЯИ проходило очередное заседание объединенного семинара "Физика на LHC", организованного сотрудничеством институтов России и стран-участниц ОИЯИ в эксперименте "Компактный мюонный соленоид". По традиции в семинаре приняли участие ОИЯИ, ФИАН, ИЯИ (Москва), ПИЯФ (Гатчина), ЦЕРН, университеты Барнаула, Кемерово, Томска, Новосибирска, Ярославля.

Председатель семинара профессор И.А.Голутвин представил докладчика, профессора Э.Э.Бооса (НИИЯФ МГУ, Москва), который прочитал лекцию "Топ-кварк как возможное "окно" в физику за рамками Стандартной модели" и ответил на многочисленные вопросы. Видеозапись семинара будет доступна на сайте http://rdms.jinr.ru, а мы представляем вниманию читателей краткий обзор выступления.

- Сегодня мы поговорим о топ-кварке, одном из самых оригинальных и необычных объектов Стандартной модели, - начал свой доклад Эдуард Эрнстович Боос. - Сначала вспомним об открытии топ-кварка на Тэватроне, обсудим последние данные, полученные на Большом адронном коллайдере. Потом поговорим, чем интересен топ-кварк для исследования физики за пределами Стандартной модели.

Топ-кварк был открыт в своем парном рождении на Тэватроне в 1995 году двумя коллаборациями - CDF и D0. 14 годами позже был открыт другой механизм образования этого кварка, так называемое одиночное рождение. Надо отметить, что с теоретической точки зрения достаточно хорошо описаны процессы, отвечающие обоим механизмам рождения, но это тема отдельного семинара. Недавно топ-кварк был зафиксирован на Большом адронном коллайдере. В парном рождении это было сделано коллаборациями CMS и ATLAS. Достаточно неожиданно было то, как быстро удалось в этот раз при статистике 36 обратных пикобарн выделить одиночное рождение топ-кварка и измерить сечение процесса. Это было сделано коллаборацией CMS.

Топ-кварк - объект c электрическим зарядом +2/3, относящийся к третьему поколению кварков, представляет собой цветной триплет и является фермионом со спином 1/2. И, собственно, если посмотреть на таблицу существующих трех поколений кварков Стандартной модели, он такой же, как остальные "верхние" кварки u и c, - взаимодействия одни и те же, квантовые числа те же, ничего специфического, казалось бы, нет. Разнятся некоторые экспериментально измеренные характеристики. Самое главное - это огромная масса порядка 173 ГэВ. Подчеркнем, что когда кварковая модель была сформулирована (кварки придумали для того, чтобы понять, из чего состоит протон), массы кварков составляли примерно 1/3 массы протона, а масса топ-кварка - 173 ГэВ, как у 173 протонов. Другая очень существенная отличительная особенность - это близость значения матричного элемента матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскавы Vtb к единице. И как следствие этих двух экспериментальных фактов получается, что топ-кварк практически стопроцентно в Стандартной модели распадается на b-кварк и W-бозон. Согласно расчетам, топ-кварк имеет ширину распада, которая более чем в 100 раз меньше массы, и в этом смысле топ-кварк - достаточно узкий резонанс. С другой стороны, это значение намного больше, чем ширина распада b-кварка.

К чему это приводит? Во-первых, топ-кварк, имея достаточно большую ширину, быстро распадается: характерное время его распада 5х10^-25 секунд, - и таким образом он не успевает адронизоваться (для этого нужно время на порядок больше). Поэтому в природе не наблюдалось и не ожидается, что будут наблюдаться адроны, содержащие топ-кварки. И тут возникает первая загадка - для чего тогда нужен топ-кварк? Ведь мы раньше знали, для создания каких адронов нужен каждый кварк.

Дальше еще интереснее. Топ-кварк тяжелый, но все его свойства, которые были измерены, согласуются с тем, что ведет он себя как точечный объект, то есть его структура не проявляется до расстояний порядка 10^-17 см. И вообразите себе - объект с массой достаточно тяжелого ядра, чуть меньше массы ядра золота, является точечной частицей.

Следующая особенность состоит в том, что константа связи Юкавы в Стандартной модели для топ-кварка оказалась близкой к единице. Когда значение константы связи оказывается таковым, всегда возникает беспокойство - нет ли в этом факте чего-то фундаментального, что мы пока не понимаем. Возможно, изучая топ-кварк, мы можем понять природу механизма электрослабого нарушения симметрии.

Без существования топ-кварка Стандартная модель была бы не самосогласованной теорией, что, в частности, означает отсутствие в теории аномалий. Для сокращения киральных аномалий нужно, чтобы в каждом поколении суммарный заряд лептонов был равен суммарному заряду кварков. У нас в третьем поколении есть тау-лептон, тау-нейтрино, b-кварк, и нужен топ-кварк, чтобы такое сокращение аномалий обеспечить. Существование топ-кварка и его масса были достаточно точно предсказаны еще до прямого обнаружения из результатов по фитированию электрослабых данных расчетами в Стандартной модели с учетом петлевых поправок. С большим значением массы топ-кварка связана нестабильность простейшего механизма нарушения электрослабой симметрии Стандартной модели, механизма Хиггса, по отношению к петлевым поправкам. С другой стороны, если мы выходим за рамки Стандартной модели и рассматриваем суперсимметричные ее расширения, то большие петлевые поправки, обусловленные топ-кварком и его суперпартнером стоп-кварком, позволяют отодвинуть массу легчайшего бозона Хиггса в область, которая пока не закрыта экспериментально. В результате, пока не закрыты экспериментально наиболее популярные суперсимметричные расширения Стандартной модели, в частности МССМ.

Сейчас разработано множество теоретических моделей, связанных с возможной нетривиальной структурой топ-кварка. Вскоре должны выйти в свет лекции, которые были прочитаны в прошлом году слушателям фонда "Династия", в том числе интересные лекции академика В.А.Рубакова. Современные реалистичные сценарии, связанные с нетривиальной структурой и возможной новой сверхсильной динамикой, - это довольно сложный материал, по этой теме опубликовано очень много работ, я советую тем, кто интересуется, ознакомиться с лекциями В.А.Рубакова.

Итак, топ кварк - весьма необычная частица. Поэтому многие специалисты полагают, что отклонения от Стандартной модели могут в первую очередь проявиться в секторе топ-кварка. При этом возникает естественный вопрос - а как эти отклонения могут проявиться в эксперименте?

Здесь есть две возможности. Одна соответствует случаю, когда характерная энергия столкновений достаточна для того, чтобы непосредственно рождать новые частицы, связанные с топ-кварком. Напомню, что в столкновениях адронов, в частности столкновениях протонов на БАК, эта область характерных энергий заметно меньше полной энергии столкновений, поскольку энергия составного протона распределена между составляющими его партонами.

В этом случае будут рождаться либо какие-то новые резонансы, которые распадаются в топ-кварки, либо новые состояния, партнеры топ-кварка, рождение которых можно будет фиксировать по самым разным модам распадов. Примером первых могут служить Z'-бозон, или так называемый KK-гравитон - возбужденная мода гравитона Калуцы-Клейна. Примером вторых могут служить стоп-кварки или партнеры топ-кварка T-кварки, возникающие в моделях типа Little-Higgs.

Другой случай - когда энергия все-таки недостаточно велика или массы частиц настолько велики, что энергии не хватает для прямого их рождения. Тогда мы будем наблюдать некие отклонения во взаимодействии топ-кварков по отношению к их взаимодействиям в Стандартной модели. Об этих отклонениях в величинах констант и в структуре взаимодействий топ-кварка можно будет судить по модификации процессов распада и рождения. При этом могут меняться сечения рождения, ширина распада, различные кинематические распределения, спиновые корреляции, асимметрии и т.п.

Далее в докладе обсуждались конкретные примеры проявления новой физики в процессах с участием топ-кварка, которые планируется исследовать на коллайдере. В заключительной части доклада особое внимание было обращено на то, что в научном мире в последнее время интенсивно обсуждаются результаты коллаборации CDF (Тэватрон) по обнаружению асимметрии вперед-назад в рождении пары топ- и антитоп-кварков. Эффект - 3,4 сигма - это, в принципе, не так много, но важно, что есть тенденция к увеличению статистической значимости эффекта по мере накопления данных. С увеличением статистики удалось измерить асимметрию в различных областях фазового пространства. Существенно большая асимметрия, чем предсказывают вычисления в Стандартной модели, получается в области больших инвариантных масс топ- и антитоп-кварков и в области больших значений разности их быстрот.

Эти результаты коллаборации CDF инициировали огромное количество работ, думаю, более сотни. Обсуждаются различные варианты экзотических моделей, которые могли бы такую асимметрию объяснить. Проблема в том, что нужно добавить что-то новое в секторе топ-кварка так, чтобы асимметрия в отмеченной кинематической области существенно возросла, но полное сечение рождения пары существенно не изменилось, поскольку оно померено уже с высокой точностью и хорошо описывается в рамках Стандартной модели.

В заключение подчеркнем, что физика топ-кварка - важная часть научной работы на всех коллайдерах. Измерения характеристик процессов с рождением топ-кварков с высокой точностью интересны как для поиска различных эффектов за рамками Стандартной модели, которые кратко обсуждались в этой лекции, так и для исследования многих других ожидаемых новых процессов с рождением бозона Хиггса, суперсимметричных партнеров или других экзотических частиц. Для этих процессов рождение топ-кварков будет важным, а во многих случаях и основным источником фона. На БАК топ-кварк рождается с большими сечениями, поэтому не случайно, что он так быстро обнаружен и в парном и в одиночном рождении. Детальные исследования физики топ-кварка на БАК еще впереди. Но надо подчеркнуть, что не все характеристики этой частицы, например ширину распада, можно измерить с высокой точностью на БАК. Некоторые потенциально интересные процессы с участием топ-кварка, предсказываемые в расширениях Стандартной модели, будут просто недоступны для изучения. В этих случаях нужны будут эксперименты на будущем электрон-позитронном коллайдере.

Материал подготовила Галина МЯЛКОВСКАЯ, рисунок Т.Ю.ТРЕТЬЯКОВОЙ.