Топ кварк: определение, свойства, разпад и връзка с Хигс бозона

Топ кварк: изчерпателно обяснение на дефиниция, свойства, разпад и връзката с Хигс бозона — масивната частица, която разкрива ключови тайни на Вселената.

Топ кварките или кварките на истината са най-тежките известни елементарни частиици (частици, които са толкова малки, че не могат да бъдат разделени). Всички кварки са елементарни частиици и тъй като са фермиони (което означава, че не могат да съществуват два от тях на едно и също място по едно и също време), те имат спин 1/2. Върховите кварки взаимодействат с всичките четири фундаментални сили — гравитация, електромагнетизъм, силна сила и слаба сила — и притежават електричен заряд +2/3 e и цвят (color charge) като цветен триплет в квантовата хромодинамика.

Основни свойства

• Маса: Топ кваркът е изключително масивен — приблизителната измерена стойност е около 173 GeV/c2 (често цитирана като ~172.7–173 GeV/c2). Това е еквивалентно на маса от порядъка на 3.1×10−25 kg, т.е. сравнима с масата на един атом волфрам.
• Спин и заряд: спин 1/2 (фермион), електричен заряд +2/3 e.
• Цвят и интеракции: участва в силното (QCD), електромагнитното и слабото взаимодействие; като всички кварки, има "цветен" заряд и участва в обмен на глуони.
• Живот и ширина: Топ кваркът е много нестабилен — средната продължителност на живота му е от порядъка на 5×10−25 s (което съответства на ширина Γ от порядъка на ~1–2 GeV). Поради такава кратка продължителност той се разпада преди да има време да образува хадрон (т.е. не образува мезони/барони като останалите кварки), което го прави уникален обект за изучаване на "чист" кварк.

Разпад

Почти през цялото време топ кварките се разпадат на долен кварк и W бозон, но важно е да се уточни какво означава това във физически смисъл. В Стандартния модел доминиращият канал е t → b + W (където b е т.нар. bottom или b‑кварк); разпадите към странен кварк или към истинския долен кварк (down) са силно потиснати от елементите на матрицата на Кобаяши–Маскава (CKM). Следователно експерименталните подписи за разпада на топа обикновено включват един или два W бозона и един или повече b‑джета (b‑quark хвърляни части).

Производство и откриване

• Производство: Топ кварките се произвеждат главно в колайдери при много високи енергии чрез двойково производство (t t̄) — чрез глуонова фузия и кварк-антикварк аннигилация — и чрез единично производство на топ (single top) чрез слабото взаимодействие.
• Откриване: Топ кваркът е открит през 1995 г. в експериментите CDF и DØ в колайдера Tevatron в лабораторията Fermilab. По-късни и много по-големи статистики бяха събрани в LHC (CERN), където доминира глуон-гляфичната продукция.
• Експериментални сигнатури: тагване на b‑джети (b‑tagging), наблюдение на разпадните продукти на W (лептонни или хадронни), възможни неутрино сигнатури и реконструкция на масата на топа от крайни продукти.

Връзка с Хигс бозона и значение за Стандартния модел

Топ кваркът има голяма връзка с Хигс бозона и с електрослабата симетрия поради своята голяма маса. Тежестта на топа означава, че той има силна юкава връзка към полето на Хигс и участва в квантовите корекции (loop‑диаграми), които влияят на наблюдаемата маса на Хигс и други електрослаби параметри. Преди откриването на Хигс бозона прецизните измервания на масата на топа (заедно с измерванията на масата на W‑бозона) бяха използвани за ограничаване на възможната маса на Хигс. Днес точните стойности на масите на топа и на Хигса са важни за въпроса за стабилността на вакуума на Вселената в рамките на Стандартния модел — съвместните стойности могат да подсказват дали вакуумът е стабилен, метастабилен или нестабилен при много високи енергии.

Защо топът е интересен за физиците

• Поради краткия си живот той дава възможност да се изучава разпадът на един "свободен" кварк без сложни ефекти от хадронизация.
• Точни измервания на масата, ширината и взаимодействията на топа тестват Стандартния модел и ограничават възможни нови физики (например ефекти от нови частици в loop‑диаграми).
• Топ‑кваркът е ключов в изучаването на процеси, свързани с Хигс бозона (например производство на Хигс в асоциация с топ-пар).

Кратко обобщение: Топ кваркът е най‑тежкият известен кварк — със спин 1/2 и заряд +2/3 e, маса от порядъка на 173 GeV/c2 и много кратък живот (~5×10−25 s). Разпада се главно в канал t → b + W, не образува хадрони и играе централна роля в тестовете на Стандартния модел и в разбирането на свойствата на Хигс бозона.

Въпроси и отговори

В: Какво представляват топ кварките?

В: Кварките елементарни частици ли са?

В: Какъв е спинът на кварките?

В: С кои фундаментални сили взаимодействат топ кварките?

В: В какво обикновено се разпадат топ кварките?

В: Колко тежък е един топ кварк?

В: Колко дълго се смята, че съществуват топ кварките?

Търсене по буква