Ζητείται παρτενέρ για το Top

Ο τίτλος του άρθρου μάλλον είναι κάπως παραπλανητικός. Το θέμα συζήτησης εδώ είναι, περισσότερο, μοντέλα που προβλέπουν την ύπαρξη σωματιδίων με πολύ μεγάλη μάζα που συνοδεύουν το τοπ κουάρκ στον κατάλογο των στοιχειωδών σωματιδίων.

Αφότου κατανοήθηκε από τους επιστήμονες πως τα κουάρκ είναι τα συστατικά της αδρονικής ύλης – πρωτόνια, νετρόνια και κάθε άλλο σύνθετο αντικείμενο που συγκρατείται από την ισχυρή αλληλεπίδραση- η έρευνα για τέτοιου είδους νέα στοιχειώδη αντικείμενα έχει συναρπάσει τους φυσικούς στοιχειωδών σωματιδίων. Οι πειραματικοί έχουν προσπαθήσει να παράξουν βαρύτερα αντίγραφα των έξι κουάρκ που γνωρίζουμε έως τώρα ( που τους έχουμε δώσει τα ονόματα up, down, charm, strange, top, και bottom), χρησιμοποιώντας όλο και μεγαλύτερες ενέργειες σύγκρουσης. Εν τω μεταξύ, οι θεωρητικοί έχουν προσπαθήσει να υπολογίσουν πως θα μπορούσαν αυτά τα νέα κουάρκ να χωρέσουν στο υπάρχον θεωρητικό πλαίσιο, ή σε επεκτάσεις αυτού, και έχουν κάνει εικασίες πάνω στις πιθανές θετικές συνέπειες του να συμπεριλάβει κανείς, σε νέα μοντέλα, αντίγραφα των έξι γνωστών κουάρκς.

Σε ένα paper που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Cornell Arxiv, η Σύμπραξη του CMS παρέχει πληροφορίες για μία νέα έρευνα για κάποιον σύντροφο του τοπ κουάρκ. Αυτό δεν είναι ακριβώς ένα κουάρκ τέταρτης γενιάς, όπως όλα τα άλλα. Αυτό είναι ένα σωματίδιο με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Η πιο αξιοσημείωτη διαφορά είναι πως θα έχει ηλεκτρικό φορτίο +5/3, το οποίο είναι μία ολόκληρη μονάδα περισσότερο από αυτό του τοπ. Ένα τέτοιο εξωτικό αντικείμενο θα μπορούσε πιθανόν να δώσει λύση σε ένα από τα πιο ενοχλητικά προβλήματα του υπάρχοντος θεωρητικού πλαισίου, στο λεγόμενο «Πρόβλημα της Ιεραρχίας» (hierarchy problem) για το οποίο έχω μιλήσει λεπτομερώς σε προηγούμενα άρθρα- παρόλα αυτά ας αναφερθώ εν συντομία και εδώ.

Το πρόβλημα της ιεραρχίας είναι η παρατήρηση πως η μάζα του μποζονίου Higgs είναι είναι αποτέλεσμα της πρόσθεσης και αφαίρεσης πολύ μεγάλων συνεισφορών λόγω κβαντικών διορθώσεων που περιλαμβάνουν «loops» γνωστών σωματιδίων του Καθιερωμένου Προτύπου. Η καλύτερη αναλογία για να εξηγήσω γιατί μας εκπλήσσει το ότι η μάζα του Higgs είναι μικρή, έρχεται από έναν αναγνώστη αυτού του blog την οποία και παραθέτω από κάτω:

«Υποθέστε πως το άθροισμα από τα κέρδη και τις ζημίες δέκα εταιριών προκύπτει πως είναι 10 δολάρια. Εάν γνωρίζεις μόνο αυτό το γεγονός, και πως εκ των προτέρων κέρδη και ζημίες κάθε χρόνο φαίνεται να είναι, λίγο πολύ, εξίσου πιθανά στην εξαιρετικά ανταγωνιστική αγορά όπου και δραστηριοποιούνται αυτές οι εταιρίες, τι μεγέθους ακαθάριστα έσοδα θα περιμένατε να έχει μία μέση επιχείρηση; Γνωρίζοντας μόνο αυτά, το ποσό αυτό θα ταίριαζε μάλλον για μία σειρά από περίπτερα σε μία πολυσύχναστη γειτονιά. Αλλά θα ήταν εντελώς απροσδόκητο τα 10$ να αντιστοιχούν στον τυχαίο αριθμητικό μέσο των μεικτών εσόδων εταιριών, όταν αυτές έχουν τζίρο δεκάδες δισεκατομμύρια κάθε χρόνο, έστω και αν απώλειες και κέρδη είναι εξίσου πιθανά. Θα υποψιαζόταν κανείς πως κάποιος είχε παρεισφρήσει στα χιλιάδες έγραφα της κάθε εταιρίας, ώστε να κάνει τον συνδυασμό τους επίτηδες να είναι τόσο εξισορροπημένος.

Οι φυσικοί, παρομοίως, υποπτεύονται, βασισμένοι στο αφύσικο της σχεδόν τέλειας ισορροπίας των loop διορθώσεων όσο απουσιάζει κάποια άγνωστη μη-τυχαία αρχή που τα κάνει να εξισορροπούνται, όταν συγκρίνονται με το μέγεθος των συστατικών, πως οι loop διορθώσεις, πιθανότατα, στην πραγματικότητα εξισορροπούνται λόγω κάποιας κρυμμένης δομής που δεν έχουμε ανακαλύψει έως τώρα.»

Παρότι η λύση που προτιμούν ακόμη οι περισσότεροι θεωρητικοί είναι αυτή που περιλαμβάνει την εισαγωγή των υπερσυμμετρικών παρτενέρ σε όλα τα φερμιόνια και τα μποζόνια του ΚΠ, με έναν τρόπο που ακυρώνει μία προς μία όλες τις μεγάλες κβαντικές συνεισφορές στη μάζα του Higgs, υπάρχουν και εναλλακτικές που είναι, ας πούμε, πιο οικονομικές. Η ιδέα των παρτενέρ του τοπ είναι μία από αυτές.

Έτσι, λοιπόν, το CMS πραγματοποίησε μία πειραματική έρευνα για πολύ μαζικά σωματίδια με φορτίο +5/3 που θα μπορούσε να δημιουργηθεί σε ζεύγη κατά τις συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου του LHC, και έπειτα να διασπώνται και τα δύο σε τοπ κουάρκ και σε W ίδιου προσήμου. Η «υπογραφή», επομένως, περιλαμβάνει ένα ζεύγος από τοπ κουάρκς και δύο μποζόνια W: αυτή είναι μάλλον μία busy υπογραφή, αφού τοπ κουάρκς διασπώνται και αυτά σε έναν πίδακα bottom κουάρκ και ένα W. Κανείς περιμένει λοιπόν τέσσερα μποζόνια W και δύο bottom jets στο συμβάν.

Ο πιο οικονομικός τόπος να ψάξει κανείς για τέτοιου είδους γεγονότα είναι να επιλέξει την περίπτωση όπου δύο από τα W με την ίδια ηλεκτρική φόρτιση (τα δύο W+, ή τα δύο W-) διασπώνται δίνοντας ηλεκτρόνια ή μυόνια. Σε αυτή τη περίπτωση ψάχνει κανείς για γεγονότα με δύο λεπτόνια υψηλής ενέργειας που έχουν το ίδιο φορτίο – μία υπογραφή που δύσκολα εμφανίζεται από τις διεργασίες εντός του ΚΠ. Εκτός βέβαια από αυτά τα λεπτόνια με ομόσημο φορτίο, το συμβάν θα περιλαμβάνει αρκετή ελλείπουσα εγκάρσια ενέργεια και έναν αριθμό πιδάκων αδρονίων.

Ανάμεσα στα διάφορα υπόβαθρα που πρέπει κανείς να θεωρήσει ότι υπάρχει παραγωγή ζεύγους τοπ, όταν το λεπτόνιο της τελικής κατάστασης δεν έχει το σωστό φορτίο, για λόγους σχετικούς με τα όργανα μέτρησης, ή όταν προέρχεται από διάσπαση b-κουάρκ, αντί από διάσπαση W ( αυτό αφήνει τα δύο λεπτόνια να έχουν το ίδιο φορτίο, όταν π.χ. ένα W+ από το τοπ διασπάται σε ένα λεπτόνιο με θετικό φορτίο και το αντιbottom κουάρκ που παράγεται από το αντιtop κουάρκ διασπάται σε αντιcharm συν ένα δεύτερο λεπτόνιο με θετικό φορτίο). Και υπάρχει μία σειρά από διαδικασίες παραγωγής πολλών σωματιδίων εντός του ΚΠ με μικρή απόδοση, συμπεριλαμβανομένων των  ttW, ttZ, WWW, και άλλα.

Η κινηματική επιλογή (kinematical selection) περιλαμβάνει την απαίτηση δύο λεπτονίων με ομόσημο φορτίο, βέτο για τα μποζόνια Ζ, και την παρουσία τουλάχιστον επτά «συστατικών» – μετρώντας σε αυτά πίδακες και λεπτόνια της τελικής κατάστασης. Μία διάσπαση τοπ μπορεί να δώσει τρία τέτοια αντικείμενα, και ένος W δύο, οπότε μία κατάσταση ttWW μπορεί να δώσει πάνω από δέκα αντικείμενα. Η προϋπόθεση για την ύπαρξη τουλάχιστον επτά έχει καλή απόδοση και μπορεί να δώσει μεγάλη απόρριψη υποβάθρου. Τέλος, η μεταβλητή που έχει επιλεγεί για την εξέταση της πιθανής ύπαρξης των 5/3 εξωτικών κουάρκ στο δείγμα είναι η HT, η οποία είναι το άθροισμα των εγκάρσιων ενεργειών όλων των ανασυντεθειμένων σωματιδίων. Η κατανομή της HT φαίνεται παρακάτω, με τα γνωστά υπόβαθρα έγχρωμα και την κατανομή του σήματος ως η διακεκομμένη γραμμή από πάνω. Τα μαύρα σημεία είναι τα πειραματικά δεδομένα που προέρχονται από τα 20/fb συγκρούσεων 8 TeV που συλλέχθηκαν από το CMS το 2012.
Εκτός από ένα υψηλό σημείο, αποτέλεσμα στατιστικών διακυμάνσεων, δεν υπάρχει κάποια μαρτυρία για την κατανομή σήματος, οπότε εξετάζοντας διαφορετικές μάζες για το σήμα και την αντίστοιχη ικανότητα ανίχνευσής του, η μεγάλη συμφωνία που υπάρχει μεταξύ δεδομένων και υποβάθρου μας παρέχει την δυνατότητα να ορίσουμε άνω όρια για την ενεργό διατομή του σήματος. Το τελευταίο έπειτα μπορεί να μεταφραστεί σε ένα κατώτερο όριο για τη μάζα αυτών των εξωτικών κουάρκ, συγκρίνοντας το όριο για την ενεργό διατομή με την θεωρητική πρόβλεψη, όπως φαίνεται στο γράφημα παρακάτω.

Εδώ μπορείτε να δείτε πως καθώς αυξάνεται η μάζα του «παρτενέρ» του τοπ, η θεωρία προβλέπει όλο και μικρότερες αποδόσεις παραγωγής (yields), το οποίο και φαίνεται με τη λεπτή μπλε καμπύλη. Το πειραματικό όριο (η σειρά των μαύρων σημείων), επομένως, «σκοτώνει» την υπόθεση για χαμηλή μάζα- αφού θα είχαν δώσει ένα πολύ μεγάλο αριθμό από υποψήφια σήματα, κάτι το οποίο και δεν παρατηρήθηκε. Το αποτέλεσμα είναι ένα κατώτερο όριο στα 800 GeV για τη μάζα του εξωτικού παρτενέρ του τοπ. Έχετε υπόψιν, όμως, πως αυτό ισχύει για τα σωματίδια που διασπώνται πάντα μόνο σε τελική κατάσταση tW. Όσο χαλαρώνεις τα κριτήρια, το όριο για την ενεργό διατομή επίσης χαλαρώνει (η οριακή καμπύλη ανεβαίνει), οπότε και το όριο για τη μάζα γίνεται ασθενέστερο (η τομή βρίσκεται σε μάζες κάτω από τα 800 GeV).

Συμπερασματικά, το CMS έχει ορίσει ένα όριο για τους εξωτικούς παρτενέρ του τοπ με φορτίο 5/3 στα 800 GeV, όταν το προηγούμενο κατώτερο όριο ήταν στα 365 GeV. Αυτή είναι μία σημαντική επέκταση. Παρ’ όλα αυτά τα μοντέλα που προβλέπουν τέτοια σωματίδια υποθέτουν μάζες στα 1.5 TeV. Αυτό είναι δουλεία για την δεύτερη περίοδο λειτουργίας του LHC, όταν και το CMS θα συλλέξει δεδομένα στα 13 και μετέπειτα 14 TeV, και μάλιστα πολλά από αυτά. Ποιος ξέρει, ίσως αυτά τα φανταχτερά αντικείμενα να εμφανιστούν εκεί!

Για το 
preprint δείτε εδώ.

Αρχικό άρθρο:
http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/top_partners_wanted-126025
10/12/2013

About qdsgreek

Greek version of "A Quantum Diaries Survivor" blog
This entry was posted in Θεωρία, 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