|
№ 4 (4195)
февраль 2007 |
Первое наблюдение «одиночного» рождения топ-кварка
Восьмого декабря 2006 года международный коллектив ученых, проводящий уникальные исследования свойств элементарных частиц на детекторе DZero в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (Фермилаб, США, http://www.fnal.gov), объявил о первом наблюдении «одиночного» рождения топ-кварка (t-кварка) в так называемых электрослабых взаимодействиях. Напомним, что кварки — по современным представлениям физиков — это фундаментальные частицы, из которых построен весь окружающий нас мир. Из них состоят, например, известные всем протоны и нейтроны, которые формируют ядра атомов любого вещества.
Наблюдение «одиночного» рождения топ-кварка означает начало нового прорыва в познании фундаментального устройства нашего мира. Топ-кварк — самый тяжелый из существующих в природе кварков — был открыт в Фермилабе в 1995 году одновременно двумя коллаборациями CDF (http://www-cdf.fnal.gov) и DZero (http://www-d0.fnal.gov). В современной единой теории поля, объединяющей электромагнитные и слабые (или иначе, электрослабые) взаимодействия, а также сильные взаимодействия (квантовую хромодинамику), и называемой стандартной моделью (СМ), топ-кварк, являясь фермионом, обладает спином 1/2 и электрическим зарядом, равным 2/3 заряда протона. В отличие от других пяти известных кварков (u, d, c, s и b) топ-кварк обладает огромной массой, которая по результатам измерений на коллайдере Tevatron составляет примерно 175 ГэВ, т. е. почти в 175 раз тяжелее протона и чуть легче ядра золота. Существование топ-кварка было одним из важнейших предсказаний СМ, и его наблюдение стало триумфом совместных усилий теоретиков, построивших единую теорию взаимодействий, и экспериментаторов, создавших уникальные экспериментальные установки для детектирования новых элементарных частиц и их взаимодействий.
Топ-кварк был открыт в 1995 году в реакции с парным рождением топ-кварка и его «антипода» — топ-антикварка. Эта реакция идет за счет сильных взаимодействий, которые в природе ответственны за взаимодействие протонов и нейтронов в ядрах, то есть это взаимодействие ответственно за существование материи в той форме, как мы ее наблюдаем.
Реакция «одиночного» рождения топ-кварка осуществляется за счет взаимодействия другого типа — электрослабого, когда электромагнитное взаимодействие при высоких энергиях по современным представлениям объединяется со слабым. Это явление аналогично объединению электрических и магнитных сил, например, при описании природы света, открытому Фарадеем и Максвеллом в XIX веке. Слабое взаимодействие ответственно за нарушение в природе симметрии при зеркальном отражении координат (так называемом нарушении пространственной четности — удивительном открытии середины 50-х годов прошлого столетия). Без слабых взаимодействий были бы невозможны реакции углеродно-водородного цикла, происходящие на Солнце с выделением энергии, а значит, и невозможным было бы само наше существование на Земле.
Сложность любого эксперимента по изучению процессов с участием кварков состоит в том, что кварки, в том числе и топ-кварк, сами по себе не наблюдаемы в свободном состоянии. Кварки обладают особой квантовой характеристикой, предсказанной академиком Н.Н. Боголюбовым с сотрудниками и впоследствии получившей название квантового числа «цвет». Обладая «цветом», кварки участвуют в сильных взаимодействиях таким образом, что образуют «бесцветные» связанные состояния из трех кварков или из кварка и антикварка, называемые адронами, как, например, протон и нейтрон или р-мезон.
Однако вследствие очень большой массы топ-кварк, в отличие от других кварков, имеет очень короткое время жизни, порядка 5x10-25 секунды, что примерно в 10 раз меньше характерного времени образования «бесцветных» адронов с его участием. Поэтому топ-кварк успевает распасться, не образуя адронов. Этот распад на так называемый калибровочный W-бозон и b-кварк происходит, как и «одиночное» рождение топ-кварка вследствие электрослабых взаимодействий. Заряженные лептоны и нейтрино от распада W-бозона вместе с адронной струей от b-кварка (струя — это совокупность частиц, летящих в узком конусе) образуют доступные для регистрации в эксперименте характерные конечные состояния, анализ которых позволяет выделить сигнал от «одиночного» рождения топ-кварка.
Следует подчеркнуть, что наблюдение «одиночного» рождения топ-кварка — это грандиозный успех, с учетом беспрецедентной сложности выделения такого сигнала из превосходящего его на много порядков фона, т. е. похожих реакций по совокупности разлетающихся частиц, но никак не связанных с «одиночным» рождением топ-кварка. Это потребовало многолетних усилий, направленных, с одной стороны, на накопление достаточного количества экспериментальных событий, а с другой стороны — на развитие тонких методов анализа данных, проведение прецизионных вычислений и моделирование ожидаемых свойств исследуемой реакции.
Наблюдение одиночного рождения топ-кварка является важным событием для подтверждения структуры электрослабых взаимодействий, предсказываемых СМ. Тем самым, достигнут новый уровень понимания устройства материи на очень малых расстояниях порядка 10-17 см. С помощью проведенного анализа впервые удалось осуществить прямые измерения одного из наиболее важных параметров СМ, известного как Vtb. Этот параметр показывает, насколько сильно топ-кварк взаимодействует с b-кварком по сравнению с его взаимодействием с другими кварками. Интересно, что чем ближе измеренное значение параметра Vtb к единице, тем лучше подтверждается гипотеза СМ о существовании только шести кварков, образующих по современным понятиям три «поколения». Однако если в дальнейшем при повышении точности измерений будет найдено статистически достоверное отклонение параметра Vtb от единицы, то такой результат будет свидетельствовать о возможном наличии большего числа «поколений», и поиск новых кварков станет актуальной задачей.
Следует отметить, что единственным, пока еще не открытым объектом СМ, остается так называемый бозон Хиггса, существование которого является неотъемлемой частью самосогласованности современной картины понимания устройства нашего мира. Разработанные новые методы выделения редких сигнальных событий для регистрации «одиночного» рождения топ-кварка найдут прямое применение в продолжающихся поисках бозона Хиггса. Один из координаторов эксперимента DZero профессор Терри Уайэт назвал проведенный анализ «важнейшей вехой в поисках бозона Хиггса, отсутствующего пока краеугольного камня СМ». Другой координатор эксперимента профессор Дмитрий Денисов сказал, что «такой выдающийся результат не мог бы состояться без неустанных усилий более 600 ученых из 20 стран мира, входящих в коллаборацию DZero». Самое активное участие в работе коллаборации DZero принимали российские физики из ОИЯИ (г. Дубна), ИТЭФ (г. Москва), ИФВЭ (г. Протвино), ПИЯФ (г. Гатчина), НИИЯФ МГУ (г. Москва).
В наблюдение реакции «одиночного» рождения топ-кварка особый вклад внесли сотрудники Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова (http://www.sinp.msu.ru). Им удалось на основе глубокого понимания структуры вкладов различных реакций в общую статистику данного эксперимента, в том числе и на уровне квантовых интерференционных и высших поправок, предложить уникальный метод моделирования сигнальных событий и метод выбора оптимальных наблюдаемых для наиболее эффективного разделения сигнала и фонов. Эти достижения отражены в публикациях коллаборации DZero и отмечены в поздравительном письме координаторов эксперимента DZero ректору МГУ академику В.А. Садовничему и директору НИИЯФ МГУ профессору М.И. Панасюку.
|
