Έρευνα για διεγερμένα τοπ κουάρκς

Το τοπ κουάρκ είναι το στοιχειώδες σωματίδιο με τη μεγαλύτερη μάζα, από αυτά τουλάχιστον που έχουμε ανακαλύψει έως τώρα στους επιταχυντές σωματιδίων. Κανείς θα το περιέγραφε αυτό λέγοντας πως η μάζα του τοπ είναι περίπου 185 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ολόκληρου του πρωτονίου, αλλά λόγω του ότι το πρωτόνιο δεν είναι στοιχειώδες, η σύγκριση αυτή δεν είναι και η καλύτερη δυνατή. Εγώ προτιμώ να συγκρίνω την μάζα του τοπ με αυτήν των ελαφρύτερων κουάρκς που μόνο κατά προσέγγιση γνωρίζουμε πως είναι στην περιοχή από 2 έως 5 MeV. Έτσι κανείς παίρνει μια πιο δραματική εικόνα: το up και το top είναι και τα δύο στοιχειώδη, αλλά το τελευταίο είναι 50.000 φορές πιο μαζικό. Μπορεί αυτό πράγματι να ισχύει;

Όντως, πολλοί κατά το παρελθόν έχουν προτείνει πως το τοπ ίσως είναι ένα σύνθετο αντικείμενο. Εφόσον αυτό ισχύει, είναι φυσικό να αναμένει κανείς ότι εκτός από την «θεμελιώδη κατάσταση», που ανακαλύφθηκε από τα CDF και D0 το 1995, υπάρχουν και διεγερμένες καταστάσεις για το τοπ. Αυτό είναι αποτέλεσμα της θεώρησης του κουάρκ αυτού σαν ένα σύνθετο σώμα από μικρότερες οντότητες που περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο, και της υπόθεσης πως μπορούν να υπάρξουν σε αυτό διαφορετικές τροχιακές ενέργειες με την κάθε μία να αντιστοιχεί σε διαφορετικό σχηματισμό. Αυτό είναι κάτι ανάλογο με ότι συμβαίνει στο B μεσόνιο. Το B μεσόνιο είναι ένα αδρόνιο που συγκροτείται από ένα βαρύ (αντι)-bottom και ένα ελαφρύτερο κουάρκ. Υπάρχουν, λοιπόν, για αυτό τέσσερις καταστάσεις: οι B+, B0, Bs, και Bc, που τις λαμβάνουμε επιλέγοντας ως ελαφρύ κουάρκ το up , το down, το strange, ή το  charm κουάρκ, αντίστοιχα.

Τα δύο κουάρκ περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο, ή καλύτερα κανείς μπορεί να φανταστεί το ελαφρύτερο να κινείται γύρω από το βαρύτερο, όπως περίπου γυρνάει η Σελήνη γύρω από τη Γη (ενώ στην πραγματικότητα και τα δύο κάνουν κύκλους γύρω από το βαρύκεντρο του συστήματος). Εκτός από την «θεμελιώδη κατάσταση» υπάρχουν και οι διεγερμένες B*, B**, κτλ, που χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερες μάζες. Αυτά συνήθως επανέρχονται στην θεμελιώδη κατάσταση εκπέμποντας την επιπλέον ενέργεια υπό μορφή, ας πούμε, ενός ελαφριού αδρονίου (ένα πιόνιο).

Στην περίπτωση του τοπ, κανείς μπορεί να σκεφτεί να ψάξει για διεγερμένες t* καταστάσεις, οι οποίες «διασπώνται» πίσω στο θεμελιώδες τοπ κουάρκ που γνωρίζουμε, συν ένα ενεργητικό γλουόνιο: το γλουόνιο μπορεί να είναι ορατό ως ένας ανεξάρτητος πίδακας αδρονίων, δεδομένης της μεγάλης διαφοράς ενέργειας που μπορούμε να φανταστούμε πως χωρίζει το κανονικό τοπ από τις διεγέρσεις του. Έτσι, εάν κάνεις «προσθέσει» την ενέργεια του τοπ στην ανιχνευθείσα ενέργεια του πίδακα, μπορεί να ανακτήσει τη μάζα του διεγερμένου τοπ κουάρκ.

Στον LHC τα τοπ κουάρκς παράγονται σε ζεύγη με μία μεγάλη ενεργό διατομή στα 200 picobarn, το οποίο σημαίνει πως σε 20 inverse femtobarns συγκρούσεων που συλλέγονται από το πείραμα CMS υπάρχουν συνολικά 4 εκατομμύρια τέτοια γεγονότα. Φυσικά, δεν έχουν επιλεγεί όλα αυτά τα γεγονότα από το trigger system, αλλά τουλάχιστον, αυτά στα οποία ένα από τα τοπ διασπάται σε ένα ενεργητικό ηλεκτρόνιο ή μυόνιο έχουν κατά βάση αναγνωριστεί και αποθηκευτεί. Το CMS μπορεί επομένως να ψάξει για γεγονότα που περιλαμβάνουν όλα τα αντικείμενα που χαρακτηρίζουν μια τελική κατάσταση με ένα λεπτόνιο («single lepton» final state) -ένα λεπτόνιο, τέσσερις πίδακες αδρονίων και ελλείπουσα εγκάρσια ενέργεια – συν έναν ή δύο επιπλέον πίδακες που υποτίθεται ότι παράγονται από το εκπεμπόμενο γλουόνιο, κατά την αποδιέγερση του t*.

[Σε περίπτωση που δεν γνωρίζετε τι είναι το single lepton final state, εννοώ το εξής: το κάθε ένα από τα τοπ διασπάται σε ένα μποζόνιο W και έναν πίδακα b-quark. Το W μπορεί είτε να διασπαστεί σε δύο επιπλέον πίδακες αδρονίων, είτε σε ένα ζεύγος λεπτονίου-νετρίνου. Εάν φανταστούμε στο ένα τοπ συμβαίνει η t->Wb->jjj διάσπαση και στο άλλο η t->Wb->lνb , τότε έχουμε μία τελική κατάσταση «single lepton», η οποιά πράγματι περιλαμβάνει ένα και μόνο φορτισμένο λεπτόνιο, ένα νετρίνο, και τέσσερις πίδακες.]

Το σύνολο δεδομένων με τα τοπ που δίνουν ένα λεπτόνιο έχει ήδη χρησιμοποιηθεί από το CMS, για να επιτύχουν την καλύτερη έως σήμερα μέτρηση της μάζας του τοπ κουάρκ, οπότε αντιλαμβάνεστε πως η τεχνολογία ανίχνευσης των τοπ είναι κάπως προχωρημένη. Μάλιστα, η ανάλυση έχει πραγματοποιηθεί, ανακατασκευάζοντας πρώτα τις διασπάσεις του τοπ, και εν συνεχεία συνάπτοντας έναν πίδακα που δεν χρησιμοποιήθηκε, σαν προϊόν της διάσπασης του τοπ, και ανασυνθέτοντας έτσι μία δοκιμαστική τιμή για τη μάζα του t*. Η έρευνα της κατανομής μάζας των υποψήφιων t*, επιτρέπει να ψάξει κανείς για το σήμα αυτής της διεγερμένης κατάστασης. Οι κατανομές που ελήφθησαν από το CMS από δείγματα των δεδομένων φαίνονται παρακάτω, όπου στα αριστερά το λεπτόνιο είναι ένα μιόνιο και στα δεξιά ένα ηλεκτρόνιο (φαίνονται ξεχωριστά διότι τα χαρακτηριστικά των λεπτονίων όπως αυτά μετρώνται από τον ανιχνευτή, κάνουν φυσικό τον διαχωρισμό τους).

Στα γραφήματα, τα πειραματικά δεδομένα φαίνονται με τα μαύρα σημεία και τα σφάλματα. Τα δύο έγχρωμα ιστογράμματα δείχνουν την συνεισφορά που προβλέπεται από τους θεωρητικούς υπολογισμούς για μία διέγερση t* με μάζα στα 750 ή 850 GeV. Τα δεδομένα προσαρμόζονται σε μία ομαλή συνάρτηση (ροζ). Όπως βλέπετε, η διέγερση θα έπρεπε να αναδομείται ως αυτή η φαρδιά κορυφή η οποία και θα συνέβαλε ελάχιστα στην κατανομή των ανακατασκευασμένων μαζών (distribution of reconstructed masses) (κυρίως λόγω των true top quark ζευγών που παράγονται σε συνδυασμό με ένα ζεύγος πιδάκων γλουονίων από την QCD radiation). Αυτό αποτελεί για τις μάζες απλά ένα όριο της ευαισθησίας του CMS: για μικρότερες μάζες για τα t*, η συνεισφορά θα ήταν πολύ μεγαλύτερη και ευκρινής.

Από την έλλειψη κάποιας ιδιαίτερης προεξοχής στην κατανομή μάζας, που προσαρμόζεται εύκολα από απλή συνάρτηση, το CMS εξάγει ένα όριο ως προς την παρουσία επιπλέον συνεισφοράς από διεγερμένα κουάρκς στο δείγμα. Το ανώτερο όριο για το μέγεθος του σήματος μπορεί να μεταφραστεί σε ένα κατώτερο όριο για τη μάζα αυτών των διεγέρσεων εξαιτίας του γεγονότος πως διεγέρσεις μεγαλύτερης μάζας προβλέπεται να δίνουν λιγότερα τέτοιου είδους γεγονότα. Το γράφημα που μας επιτρέπει να βγάλουμε αυτό το συμπέρασμα, είναι αυτό που φαίνεται παρακάτω, όπου στον οριζόντιο άξονα είναι η μάζα του διεγερμένου τοπ και η κάθετη κλίματα περιγράφει τον ρυθμό της διαδικασίας. Η κίτρινη και η πράσινη καμπύλη δείχνουν το ανώτερο όριο του βαθμού διέγερσης, και η τομή με τις θεωρητικές καμπύλες (ανάλογες με τις δύο διαφορετικές υποθέσεις για το spin της t* κατάστασης, οι οποίες δίνουν διαφορετικές προβλέψεις για τους ρυθμούς παραγωγής) αντιστοιχεί στο κατώτερο όριο για τη μάζα του t*.

Συμπερασματικά, το CMS δεν βλέπει κάποια ένδειξη της ύπαρξης διεγερμένων τοπ κουάρκ στο μεγάλο δείγμα των διασπάσεων ζευγών τοπ κουάρκ. Τέτοια σωμάτια, εάν υπάρχουν θα πρέπει να έχουν μάζα μεγαλύτερη από 803 GeV, εφόσον το spin του t* είναι 3/2. Εάν θέλετε να δείτε περισσότερες λεπτομέρειες, υπάρχει εδώ το νέο paper στο Arxiv το οποίο και μπορείτε να διαβάσετε.

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/blog/search_excited_top_quarks_cms_data-125084
24/11/2013

About qdsgreek

Greek version of "A Quantum Diaries Survivor" blog
This entry was posted in LHC and tagged , . Bookmark the permalink.

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s