Horní tvaroh

Horní tvaroh je nejtěžší známé elementární částice . Byl objeven ve Fermilabu v roce 1995 za pomoci urychlovače částic Tevatron . Podobně jako všechny kvarky , kvarku je fermion se spinem ¹ / ₂ , která se podílí na všech čtyřech známých základních interakcí a má antičástice .

Jeho hmotnost je mnohem vyšší než u ostatních kvarků (přibližně 40krát vyšší než u dolního kvarku, druhého nejtěžšího kvarku). Kvůli nízké průměrné životnosti 5E^-25 s hadronisiertnení horní kvark, tvoří se na rozdíl od lehčích kvarků, takže žádné vázané stavy s jinými kvarky. Vestandardním modelu částicové fyzikyje horní kvark partnerskou částicí dolního kvarku. Kvantové číslochutispojené s top kvarkemjetopness.

generace

Produkční mechanismy horního kvarku ( Feynmanovy diagramy )

t t párová produkce fúzí gluonů

t individuální výroba

t jediná produkce společně s W bosonem

Kvůli své vysoké hmotnosti, srovnatelné s atomem zlata, lze horní kvark generovat pouze při extrémně vysokých energetických srážkách na urychlovačích částic . To bylo možné až do roku 2011 na Tevatronu a od roku 2008 na Large Hadron Collider (LHC), který nyní pracuje s kolizní energií 13 TeV.

Dominantním výrobním mechanismem pro horní tvaroh je párová výroba . V tomto případě je díky silné interakci generován špičkový kvark a špičkový antikvark. Vrchol horního kvarku je +1, zatímco vrchní antikvark má topnost -1. Svrchovanost je tedy celkem zachována. Pro párovou produkci je jako těžiště zapotřebí alespoň dvojnásobek zbytkové energie horního kvarku (přibližně 350 GeV) .

Špičkový kvark může nést slabou interakci a může být také produkován jednotlivě ( anglická produkce jednoho špičkového kvarku ). To je možné společně s tryskami částic nebo ve spojení s W bosonem . Přes dolní požadované těžiště energie , přidružené křížové části jsou menší, a proto těžší vyšetřovat kvůli zapojení slabé interakce ve srovnání s výrobou páru.

Rozklad

Příklad rozpadu páru top-antitop po kolizi proton-antiproton

Horní kvark je jediný kvark, který je masivnější než W boson. Zatímco W boson se objevuje pouze jako virtuální částice během rozpadu lehčích kvarků , top kvarky se rozpadají na skutečný W boson a další kvark, což je spodní kvark v 96% případů. To je důvodem jeho extrémně krátké životnosti. Skutečný W boson se pak může hadronicky rozpadnout na kvark a antikvark, takže vznikne celkem spodní kvark, další kvark a antikvark. Relativní šířka dezintegrace je

${\ Displaystyle t \ to q {\ bar {q}} b \}$   (66,5 ± 1,3)%

The (anti-) kvarky ve svém konečném stavu hadronize do trysek z hadronů .

V případě leptonického rozpadu W bosonu je nabitý lepton, neutrin a spodní kvark v konečném stavu:

${\ Displaystyle t \ to e ^ {+} \ nu _ {e} b \}$   (11,1 ± 0,3)%

${\ Displaystyle t \ to \ mu ^ {+} \ nu _ {\ mu} b \}$   (11,4 ± 0,2)%

${\ Displaystyle t \ to \ tau ^ {+} \ nu _ {\ tau} b \}$   (11,1 ± 0,9)%

Pro rozpad vrcholových párů antitopů existují tři kanály v závislosti na rozpadu dvou W bosonů , které vedou k různým signálům v detektorech částic : V plně hadronovém kanálu se oba W bosony rozpadají hadronicky, zatímco v leptonu-plus-jet kanál (viz obrázek) a W boson a v dileptonickém kanálu se oba W bosony rozpadají leptonicky.

příběh

V roce 1973 Makoto Kobayashi a Toshihide Masukawa postulovaly existenci třetí generace kvarků. Východiskem bylo najít vysvětlení porušení CP . Za to oba obdrželi Nobelovu cenu za fyziku za rok 2008 .

Se spodním kvarkem byl ve Fermilabu v roce 1977 objeven první kvark třetí generace. Objev vrchního kvarku partnerských částic také proběhl v roce 1995 ve Fermilabu. Za tímto účelem byly protony a antiprotony s těžištěm 1 800 GeV přivedeny ke srážce na Tevatronu. Dvojí produkci špičkových kvarků lze demonstrovat experimenty CDF a DØ („D-nula“).

Ještě před objevem Higgsova bosonu v roce 2012 bylo možné použít přesná měření hmotnosti horního kvarku ke stanovení horní hranice hmotnosti Higgsova bosonu povolené ve standardním modelu. V roce 2004 ^{mohla být} vyloučena hmotnost Higgsova bosonu více než 251 GeV / c ² .

Důkaz o individuální produkci špičkových kvarků dosáhly v roce 2009 také společnosti CDF a DØ v Tevatronu. Individuální produkci špičkových kvarků ve spojení s W bosonem bylo možné demonstrovat experimenty ATLAS a CMS na Large Hadron Collider v letech 2012 a 2013. V roce 2018 byla na LHC pozorována produkce Higgsova bosonu společně s dvojicí top kvarku a špičkového antikvarku.

Individuální důkazy

1. ↑ ^{a b c d} Informace o vlastnostech částic (informační pole) jsou, není -li uvedeno jinak, převzaty z: PA Zyla et al. ( Skupina údajů o částicích ): Přehled fyziky částic v roce 2020, souhrnné tabulky kvarků. In: Prog. Theor. Exp. Fyz. 2020, 083C01 (2020). Particle Data Group, přístup 24. června 2021 . 
2. ↑ ^{a b c} P.A. Zyla a kol. ( Particle Data Group ): 2020 Review of Particle Physics, Reviews: Top Quark. In: Prog. Theor. Exp. Fyz. 2020, 083C01 (2020). Particle Data Group, přístup 24. června 2021 .  
3. ↑ Kevin Kröninger: Nejlepší kvark. In: WeltDerPhysik.de. 31. března 2016, přístup 21. června 2021 . 
4. ↑ Fermilab | Historie a archivy | Experimenty a objevy. Získaný 21. června 2021 .  
5. ↑ CDF Collaboration, F. Abe, H. Akimoto, A. Akopian, MG Albrow: Observation of Top Quark Production in p p Collisions with the Collider Detector at Fermilab . In: Dopisy fyzické recenze . páska 74 , č. 14 , 3. dubna 1995, s. 2626–2631 , doi : 10,1103 / PhysRevLett.74.2626 ( aps.org [přístup 20. června 2021]). 
6. ↑ DØ Collaboration, p Abachi, B. Abbott, M. Abolins, BS Acharya: Observation of the Top Quark . In: Dopisy fyzické recenze . páska 74 , č. 14 , 3. dubna 1995, s. 2632–2637 , doi : 10,1103 / PhysRevLett.74.2632 ( aps.org [přístup 20. června 2021]). 
7. ↑ VM Abazov, B. Abbott, A. Abdesselam, M. Abolins, V. Abramov: Přesné měření hmotnosti horního kvarku . In: Příroda . páska 429 , č. 6992 , červen 2004, ISSN  1476-4687 , s. 638–642 , doi : 10,1038 / nature02589 ( nature.com [zobrazeno 21. června 2021]). 
8. ^ Higgsův boson odhaluje svou afinitu k hornímu kvarku. 4. června 2018, přístup 13. července 2021 . 
9. ↑ Robert Gast: Mikrokosmos. Higgsův boson má také rád špičkové kvarky. 11. dubna 2018, přístup 12. července 2021 .