Изучение совместного рождения пары топ-кварк–антикварк и фотона отклонений от Стандартной модели не выявило
|
Исследователи из коллаборации CDF Ирина Шрейбер, Андрей Логинов и Генри Фриш провели изучение совместного рождения пары топ–антитоп и фотона. Это исследование показало, что такие редкие топ-антитоп-фотонные кандидаты действительно рождаются и что результат эксперимента ни в наблюдаемом числе событий, ни в распределениях по различным физическим переменным не противоречит предсказаниям Стандартной модели.
Топ-кварк — последняя из обнаруженных физиками элементарных частиц. Открытие топ-кварка было сделано в 1994 году в Лаборатории им. Э. Ферми в США (первая стадия работы ускорителя Тэватрон, Run I). Это самая тяжелая частица из известных физике высоких энергий, и ее открытие стало подтверждением Стандартной модели (СМ) — теории, наиболее полно описывающей взаимодействия элементарных частиц.
Вторая стадия работы ускорителя Тэватрон (Run II) стала прорывом в физике топ-кварка, свойства топ-кварка теперь измерены с высокой точностью. Тем не менее процесс излучения топ-кварком света (фотона) до сих пор остается малоизученным, так что вопрос об экспериментальном измерении заряда топ-кварка остается открытым.
Согласно СМ, вероятность образования топ-кварк–антикварковой пары совместно с высокоэнергетичным фотоном в 100 раз меньше, чем просто пары топ-кварк–антикварк. Однако существует множество теоретических моделей и «за пределами» СМ (так называемая Новая физика), предсказывающих существование дополнительных частиц или предполагающих дополнительные измерения. И во многих из таких моделей фотон играет важную роль и излучается в каскадных (многоступенчатых) распадах тяжелых заряженных частиц. Обнаружение аномального сигнала в рождении пары топ–антитоп и фотона стало бы указанием на физику за рамками СМ.
Поиск распадов с фотонами в конечном состоянии (в данном случае, совместно с парой топ–антитоп) имеет ряд преимуществ. Фотон — это одна из фундаментальных частиц в электрослабой теории (в дополнение к массивным W- и Z-бозонам). Фотон связан с электрическим зарядом и поэтому излучается всеми заряженными частицами, включая частицы до взаимодействия (то есть кварки из взаимодействующего протона и антипротона), что важно для поиска невидимых конечных состояний.
Другие важные свойства фотона — безмассовость и тот факт, что фотон в свободном состоянии не распадается (в отличие от массивных W- и Z-бозонов). Это делает возможным изучение совместного рождения пары топ–антитоп с фотоном. Более того, это также позволяет лучше понять схожие процессы — рождение пары топ–антитоп с другими бозонами — W- и Z-, а также бозоном Хиггса. Наконец, один из важнейших вариантов распада бозона Хиггса — это распад на два фотона.
|
Исследователи из коллаборации CDF Ирина Шрейбер, Андрей Логинов и Генри Фриш (Henri Frisch), представляющие соответственно ИТЭФ (Москва), Йельский университет и Чикагский университет (США), провели изучение совместного рождения пары топ–антитоп и фотона, и результат их работы стал событием недели по версии новостного вестника Фермилаб (Fermilab Today).
Топ-кварк распадается на b-кварк (более легкий долгоживущий кварк из того же поколения, что и топ-кварк) и (массивную заряженную частицу), которые в свою очередь распадаются дальше. b-кварк до распада пролетает заметную дистанцию и приводит к рождению адронной струи со смещенной вершиной, так называемой b-струи. Первый вариант распада W-бозона — заряженный лептон и нейтрино. Это приводит к обнаружению заряженной частицы (электрон или мюон) и так называемой «потерянной энергии»: нейтрино практически не взаимодействует с веществом и покидает детектор без прямого обнаружения. Второй вариант распада — адронные струи. Антитоп распадается схожим образом.
Следовательно, идеальное событие вида «топ–антитоп плюс фотон» выглядит как две b-струи (две адронные струи со смещенной вершиной, поскольку b-кварк до распада пролетает заметную дистанцию), лептон, потерянная энергия, две адронные струи с вершиной в точке взаимодействия и фотон.
|
Наиболее общий вид топ-антитоп-фотонных событий — лептон, потерянная энергия, струя со смещенной вершиной, фотон. Был проведен анализ таких событий, и в результате обработки данных было обнаружено 28 событий, что хорошо согласуется с предсказаниями СМ (см. рисунок). Разумеется, помимо искомых топ-антитоп-фотонных событий, схоже выглядят в детекторе и некоторые другие события, в которых топ-кварки или фотоны отсутствуют (такие ненужные события называют фоновыми). Это ясно из приведенного рисунка: ожидаемый вклад от события «топ-антитоп плюс фотон» показан красным цветом.
Для детального исследования событий вида «топ-антитоп плюс фотон» необходимо подавить фоны от других процессов. Для рождения топ-антитоп и фотона характерны большое количество струй и большая полная энергия в событии (из-за массивности топ-кварков). Следовательно, для подавления фона были приложены дополнительные критерии отбора — минимум 2 адронные струи (хотя бы одна из которых — со смещенной вершиной) и большая полная энергия события.
Численное моделирование показало, что при использованных критериях отбора эксперимент должен был поймать примерно 11 событий, из которых около 7 событий — фоновые. В эксперименте, однако, было найдено 16 таких событий. С одной стороны, это вроде бы и превышение над ожидаемым числом событий, но с другой стороны, это превышение небольшое. Оно вполне могло получиться и из-за случайных статистических флуктуаций. Поэтому говорить о том, что найдено какое-то заметное отклонение от Стандартной модели, нельзя.
Однако что можно сказать почти наверняка — это то, что топ-антитоп-фотонные комбинации действительно рождаются. Если бы их не было, то ожидаемое в среднем количество событий составляло бы около 7, и получить 16 событий по чистой случайности было бы маловероятно (исследователи оценили эту вероятность всего лишь в 1%). По критериям достоверности, принятым в физике элементарных частиц, этого всё еще недостаточно, чтобы заявить об открытии таких событий. Поэтому авторы работы ограничились сухой констатацией факта, что результат эксперимента не противоречит Стандартной модели для такого редкого типа событий.
|
Предполагая, что совместное рождение топ–антитоп пары и фотона описывается в рамках СМ, впервые было измерено сечение данного процесса, 150±80 fb (фемтобарн, 1 fb = 1 ? 10–15b). Полученный результат несколько больше, чем теоретические предсказания для данного процесса (80±12 fb), но находится в пределах ошибок измерений.
Большее количество данных позволит более точно оценить данный процесс и детально изучить свойства топ-кварка. В будущем результаты данной работы пригодятся как для Тэватрона (с ростом количества данных), так и для недавно запущенного в тестовом режиме Большого адронного коллайдера (БАК). С точки зрения оценки схожих фонов и понимания сигнала исследование совместного рождения пары топ–антитоп и фотона на БАК станет важным шагом к открытию рождения бозона Хиггса совместно с парой топ–антитоп.
Детальная информация для ознакомления доступна на сайте, посвященном исследованию.
По информации издания Fermilab Today и ГНЦ РФ ИТЭФ, (Москва).
Андрей Логинов, Йельский университет
