Η ακριβέστερη μέτρηση της μάζας του τοπ κουάρκ

Η μάζα του τοπ κουάρκ είναι μία ιδιαιτέρως σημαντική παράμετρος του Καθιερωμένου Προτύπου (ΚΠ): χρησιμοποιώντας την τιμή της, μαζί με κάποιες άλλες εξίσου σημαντικές παραμέτρους (όπως η μάζα του μποζονίου W, η μάζα του σωματιδίου Higgs, καθώς και πολλές άλλες που περιγράφουν τις ιδιότητες των μποζονίων Ζ), μπορεί κανείς να μελετήσει με μεγάλη ακρίβεια τις προβλέψεις της θεωρίας. Συγκεκριμένα, με βάση τον τρόπο με τον οποίον τα «βαριά» σωματίδια επηρεάζουν το πεδίο Higgs, θα μπορούσε κανείς να εξακριβώσει κατά πόσο είναι συνεπές το ΚΠ, εξετάζοντας μια γραφική παράσταση η οποία στον οριζόντιο άξονα θα έχει τη μάζα του τοπ κουάρκ και στον κατακόρυφο την αντίστοιχη του W: διαφορετικές υποθέσεις για την μάζα του Higgs θα αποτυπώνονταν στο γράφημα ως παράλληλες καμπύλες. Ένα τέτοιο παράδειγμα φαίνεται στο σχήμα παρακάτω. [Είναι πολύ περίπλοκο για να το αναλύσω εδώ λεπτομερώς, αλλά εάν το θέλετε μπορώ να δώσω περαιτέρω πληροφορίες στα σχόλια.]

 


Μέχρι το 2009, ο ακριβής προσδιορισμός της μάζας του τοπ, του κουάρκ με τη μεγαλύτερη μάζα, ήταν καθαρά υπόθεση των πειραμάτων που ελάμβαναν χώρα στο 
Tevatron. Τα CDF και DZERO ήταν τα μόνα πειράματα που μελετούσαν αυτό το σωματίδιο, κάτι το οποίο έκαναν από την πρώτη στιγμή, δηλαδή από το 1995, όταν και έγινε η ανακάλυψη του τοπ. Οι προσπάθειες τους να παραγάγουν βελτιωμένες μετρήσεις για τη μάζα του τοπ είχαν οδηγήσει στο να συρρικνωθεί η συνολική αβεβαιότητα στη μάζα κάτω από το 1 GeV, ένα αποτέλεσμα του ξεπέρασε κατά πολύ τις προσδοκίες.

Φυσικά, όλα τα καλά έχουν ένα τέλος – με την έλευση του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN και τον τερματισμό των συγκρούσεων στο Tevatron, οι μετρήσεις της μάζας του τοπ ήταν φυσιολογικό να γίνουν, αργά ή γρήγορα, υπόθεση των πειραμάτων ATLAS και CMS.

Ο ακριβέστερος προσδιορισμός της μάζας του τοπ ήδη, μέχρι χθες, προερχόταν από ανάλυση του CMS πριν από έναν χρόνο, αλλά ο συνδυασμός των μετρήσεων από τα διάφορα πειράματα του Tevatron είχε συνολικά μεγαλύτερη ακρίβεια. Τώρα, όμως, το CMS δημοσίευσε ένα αποτέλεσμα το οποίο είναι πιο ακριβές από τον συνδυασμό όλων των προηγούμενων μετρήσεων.

Η νέα μέτρηση βασίζεται σε γεγονότα ζευγών τοπ κουάρκ με τελικές καταστάσεις ενός λεπτονίου (single-lepton final states), παραγόμενα από τις συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου 8-TeV οι οποίες πραγματοποιήθηκαν το 2012 στον LHC. Η τελική κατάσταση ενός λεπτονίου προκύπτει όταν το ένα από τα τοπ κουάρκς διασπάται σε μία τριπλέτα λεπτονίου-νετρίνου-bottom κουάρκ, ενώ το άλλο διασπάται σε τρεις αδρονιακούς πίδακες. Επιλέγοντας ενεργητικά ηλεκτρόνια ή μιόνια, που συνοδεύονται από τέσσερις ή περισσότερους αδρονιακούς πίδακες και που παρουσιάζουν κάποια ανισορροπία στην κατανομή εγκάρσιας ενέργειας (transverse energy distribution), ήταν δυνατόν να πάρει κανείς καθαρά δείγματα από διασπάσεις ζευγών τοπ κουάρκ μέσα από τα δεδομένα του CMS. Και μάλιστα η καθαρότητα μπορεί να βελτιωθεί ακόμα περισσότερο θέτοντας ως προϋπόθεση να περιέχει κάποιος από τους πίδακες ένα b-tag – ένα σήμα που να δείχνει ότι προέρχεται από την αδρονιοποίηση (hadronization) ενός b κουάρκ. Πράγματι, σε 999 από χίλια γεγονότα, τα b κουάρκς εκπέμπονται από διασπάσεις τοπ.

Η καθαρότητα είναι κάτι θετικό όταν προσπαθεί κανείς να μετρήσει μία ποσότητα, αλλά δεν είναι και το παν. Αυτό που παίζει τον σημαντικότερο ρόλο, όταν κανείς έχει να μετρήσει τη μάζα του τοπ, είναι το προσεκτικό καλιμπράρισμα στη μέτρηση της ενέργειας των αδρονιακών πιδάκων. Η διάσπαση του τοπ μας δίνει τη δυνατότητα να πάρουμε ένα ωραίο «self-calibration» σήμα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αυτόν το σκοπό: και αυτό είναι η διάσπαση του μποζονίου W σε ένα ζεύγος πιδάκων. Μία τέτοια διάσπαση είναι παρούσα σε κάθε ένα από τα επιλεγμένα γεγονότα. Μιας και η μάζα του W είναι πλέον γνωστή με ακρίβεια 16 MeV, είναι δυνατόν να ελέγξουμε εάν υπάρχει αστοχία στο καλιμπράρισμα της ενέργειας πιδάκων, βρίσκοντας την τιμή της μάζας που μπορεί κανείς να ανακατασκευάσει μέσω των δύο πιδάκων οι οποίοι εκπέμπονται από την διάσπαση του W.

Στην πραγματικότητα η διαδικασία είναι πιο περίπλοκη από ότι περιέγραψα μόλις: χρησιμοποιείται μία δισδιάστατη πιθανοφάνεια για να βρεθεί η πιο πιθανή τιμή του residual jet energy scale, κοιτώντας μαζί τη διάσπαση του W και τη μάζα του τοπ κουάρκ. Η διαδικασία αυτή δίνει τη δυνατότητα να επιτύχουμε μια μέτρηση με συνολική αβεβαιότητα στα 770 MeV: και η μάζα του τοπ κουάρκ υπολογίζεται πως είναι 172.04 ±0.77 GeV, το καλύτερο αποτέλεσμα που έχουμε έως τώρα.


Στα δεξιά βλέπετε την κατανομή της ανακατασκευασμένης μάζας του τελικού σετ υποψήφιων γεγονότων όπως αυτή προέκυψε από την ανάλυση του CMS, και από την οποία τελικά εξάγεται η μέτρηση της μάζας. Οι συνδυασμοί συνδέονται με μία βαρύτητα ανάλογα με την πιθανότητα τους, μέσω μίας τεχνικής που συνήθως αποκαλείται «ideogram method».

Τα μαύρα σημεία αντιπροσωπεύουν τα πειραματικά δεδομένα και τα διάφορα ιστογράμματα δείχνουν τον τρόπο με τον οποίο ερμηνεύονται τα δεδομένα ως ένα άθροισμα πολλών συνεισφορών: ζεύγη τοπ, είτε ανακατασκευασμένα σωστά (με σκούρο κόκκινο), είτε με λανθασμένη μετάθεση των πιδάκων (σκούρο ροζ), ή τέλος όταν ένας πίδακας δεν ταιριάζει με κάποιο κουάρκ που διασπάται (ροζ). Τα διάφορα υπόβαθρα είναι πολύ μικρά, και σχεδόν δεν φαίνονται σε αυτήν τη γραμμική κλίμακα. Στο κάτω μέρος της εικόνας φαίνεται ο λόγος των παρατηρούμενων δεδομένων προς τις προσομοιωμένες κατανομές, όπου παρατηρούμε πως η ερμηνεία των γεγονότων είναι πολύ ικανοποιητική.

Χρησιμοποιώντας το παραπάνω αποτέλεσμα καθώς και προηγούμενες μετρήσεις, το CMS έβγαλε και έναν μέσο όρο των δικών του αποτελεσμάτων. Αυτό βρίσκεται στα 172.20 ± 0.73 GeV, και θα είναι κάπως δύσκολο να βγει κάτι καλύτερο σύντομα. Το αποτέλεσμα αναλύεται λεπτομερώς στο δημόσιο έγγραφο του CMS, διαθέσιμο εδώ.

Αν και οι κοινοπραξίες CDF και DZERO δεν μπορούν πλέον να βελτιώσουν περαιτέρω τις μετρήσεις τους, μιας και έχουν ήδη μελετήσει το σύνολο των δεδομένων τους, θα είναι ενδιαφέρον να δούμε από την άλλη πως θα «απαντήσει» το ATLAS σε αυτήν τη νέα επιτυχία των ανταγωνιστών του. Αλλά, στο μεταξύ, συνεχίζεται και ένας ακόμα αγώνας: αυτός για τη βελτίωση της μέτρησης για τη μάζα του μποζονίου W. Μολονότι, όπως εξήγησα παραπάνω, γνωρίζουμε ήδη τη μάζα του W με μεγάλη ακρίβεια, μία βελτίωση της μέτρησης αυτής της παραμέτρου παραμένει ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα, διότι έτσι θα μπορέσουμε να κάνουμε ελέγχους ακριβείας στο Καθιερωμένο Πρότυπο.

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/a_quantum_diaries_survivor/the_most_precise_mass_measurement_cms_on_top-133442
4 Απριλίου 2014

About qdsgreek

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

Μία απάντηση στο Η ακριβέστερη μέτρηση της μάζας του τοπ κουάρκ

  1. Παράθεμα: Καθιερωμένο πρότυπο ή ελάχιστη υπερσυμμετρία ; | Ένας Επιζών των Quantum Diaries

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