Одиночное рождение топ-кварка позволило еще тщательнее проверить Стандартную модель

Pис. 1. Процесс одиночного рождения топ-кварка (слева) и анти-топ-кварка (справа) в столкновении двух протонов за счет t-канального механизма (здесь показана преобладающая схема такого механизма). Поскольку в протоне вдвое больше u-кварков, чем d-кварков, первый процесс приблизительно вдвое более вероятен, чем второй

На днях коллаборация CMS опубликовала новый результат, касающийся процесса одиночного рождения топ-кварка в протонных столкновениях. Вообще говоря, эта реакция не представляет собой ничего необычного. Одиночное рождение топ-кварка было открыто несколько лет назад на коллайдере Тэватрон, и, кстати, именно оно стало поводом для подробной статьи Анатомия одной новости. Но с тех пор исследование топ-кварков ушло далеко вперед, и теперь физики уже не просто «видят» этот процесс, но и могут его «препарировать»: раскладывать на отдельные составляющие и изучать их независимо.

Новый результат CMS — еще один серьезный шаг в этих исследованиях. Пусть он не привел ни к какой сенсации, но зато хорошо проиллюстрировал, как с помощью аккуратных измерений рождения известных частиц физики проверяют Стандартную модель.

Вначале надо пояснить, чем интересен именно этот процесс — одиночное рождение топ-кварка. Кварк-антикварковые пары рождаются в столкновении протонов постоянно. В подавляющем большинстве случаев такое рождение не слишком интересно, поскольку оно идет за счет сильного взаимодействия, а его-то физики уже неплохо изучили при высоких энергиях. В таком процессе каждый родившийся кварк сопровождается антикварком того же сорта.

Одиночное рождение протекает иначе — здесь кварк рождается в паре с другим антикварком, и такой процесс возможен только благодаря слабому взаимодействию. При больших массах рожденных частиц слабое взаимодействие становится довольно чувствительным к возможной Новой физике. Именно поэтому одиночное рождение топ-кварка — самой массивной из известных частиц! — является хорошей проверкой Стандартной модели и удобным инструментом для поиска Новой физики.

Одна из важных характеристик слабого взаимодействия, доступных прямому измерению в таком процессе, — это число V_tb, коэффициент взаимодействия t- и b-кварков. Это один из элементов матрицы кваркового смешивания, за которую в 2008 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Согласно теории, этот элемент очень близок к единице; обнаружение его отклонения в любую сторону будет иметь огромные последствия для физики частиц.

Удобно еще и то, что этот процесс можно изучать разносторонне. Есть несколько механизмов рождения одиночного топ-кварка — несколько вариантов столкновения протонов, которые по-разному влияют на рожденные частицы и по-разному чувствуют Новую физику. В обсуждаемой статье был выделен и изучен один конкретный механизм (так называемое t-канальное рождение, показанное на рис. 1).

Далее, можно экспериментально проверить, как отличаются вероятности рождения одиночного топ-кварка и анти-топ-кварка. Разница между ними возникает потому, что в коллайдере сталкиваются протоны, а не протон с антипротоном, — поэтому кварки и антикварки в таких столкновениях уже не равноправны. Теоретические расчеты предсказывают, что сечение рождения топ-кварка примерно вдвое превышает сечение рождения анти-топ-кварка — так получается потому, что в протоне u-кварков вдвое больше, чем d-кварков (см. рис. 1).

Наконец, этот процесс позволяет кое-что узнать и о характеристиках сильного взаимодействия, а конкретно — о партонных плотностях в протоне, о том, как они меняются с энергией. Теоретические расчеты нескольких коллективов физиков, основанные на разных вариантах партонных плотностей, приводят к слегка отличающимся результатам.

После этого вступления перейдем к результатам работы. Во-первых, было измерено общее сечение одиночного рождения топ-кварка. Результат оказался в отличном согласии со Стандартной моделью и с прошлыми экспериментами.

Во-вторых, было измерено отношение сечений рождения топ-кварка и анти-топ-кварка. Оно получилось равным 1,95 ± 0,10 ± 0,19, где две неопределенности отвечают статистической и систематической погрешностям. Теория предсказывает от 1,8 до 2,0 в зависимости от использованного варианта партонных плотностей (рис. 2). Пока что экспериментальные погрешности слишком велики и не могут отдать предпочтение одному из вариантов, но в будущем, при увеличении статистики, можно рассчитывать на более определенные выводы.

Рис. 2. Отношение сечений одиночного рождения топ-кварка и анти-топ-кварка. Вертикальная линия и цветные полосы — результат измерения, полученный CMS, вместе со своими погрешностями. Точки с «усами» — теоретические предсказания, основанные на разных партонных плотностях. Изображение из обсуждаемой статьи

В-третьих, можно сравнить нынешний результат CMS, полученный при энергии 8 ТэВ, с более ранним, полученным при 7 ТэВ. Теория предсказывает, что сечение сейчас должно быть в 1,32 раза выше, чем раньше. Измерение CMS дало значение 1,24 ± 0,08 ± 0,12, что не противоречит теоретическому предсказанию (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость сечения одиночного рождения топ-кварка от энергии столкновений. Черными точками показаны результаты Тэватрона, красными — результаты коллаборации CMS. Две кривые и сопровождающие их цветные полоски — предсказания двух теоретических расчетов вместе со своими неопределенностями. Вставка показывает измеренное сечение, поделенное на теоретические предсказания. Изображение из обсуждаемой статьи

Ну а что касается величины V_tb, то она получилась исключительно близкой к единице: 0,998 ± 0,038 ± 0,016. Таким образом, все измеренные характеристики одиночного рождения топ-кварка сходятся с предсказаниями Стандартной модели. Отклонений не обнаружено и тут, что позволило физикам еще больше ограничить теоретические модели Новой физики.