Топ-кварк

    Топ-кварк (t) был открыт на Тэватроне в 1995 г. С его открытием были полностью сформированы три поколения базисных частиц Стандартной модели и появилась новая область физики частиц – физика топ-кварка. Топ-кварк рождается преимущественно в адронных взаимодействиях и быстро распадается, не успевая сформировать адронное состояние. Распад топ-кварка происходит преимущественно по каналу t→ Wb, где W затем распадается на лептоны или адронные струи. Большая масса топ-кварка ставит вопрос, обусловлена ли она механизмом Хиггса Стандартной модели или имеет более фундаментальное значение для механизма нарушения электрослабой симметрии. Физика вне Стандартной модели может с большой вероятностью проявиться как в процессах рождения, так и распада топ-кварка. Дальнейшее продвижение произойдет, когда будет накоплено большое количество пар топ-кварков и станет возможным измерить поляризацию топ-кварка и W-бозона, связанную с аномалиями W_tb вершины, редкие распады топ-кварка, чувствительные к физике вне Стандартной модели, или новые резонансы, распадающиеся с образованием пар t-кварков.
    Ускоритель LHC будет фабрикой t-кварков. Миллионы пар топ-кварков будут зарегистрированы в детекторе ATLAS при интегральной светимости 10 фб^-1, ожидаемая за первые годы работы LHC. Регистрация топ-кварков включает в работу практически все системы детектора.
    Большая энергия LHC позволит исследовать процесс одиночного образования t- и анти t-кварков, осуществляемых через механизм электрослабого взаимодействия, с высокой точностью и исследовать W_tb вершину.
    В протон-протонных взаимодействиях LHC топ-кварк образуется как в глюонном рассеянии, так и рассеянии кварка на антикварке. Относительные вклады процессов зависят от энергии и природы пучков: на LHC доминируют глюонные рассеяния (90% событий), тогда как на Тэватроне преобладают рассеяния кварков. Расчетное сечение рождения t-кварков на LHC составляет 833±100 пб. Это соответствует образованию 83 тысяч пар t-кварков на начальной интегральной светимости 100 пб^-1, или порядка 10⁷ пар в год. Диаграммы образования t-кварков в лидирующем порядке КХД приведены на рис. 12.1.

Рис.12.1. Диаграммы образования t-кварков в лидирующем порядке КХД : глюон-глюонное рассеяние (а), (b), кварк-кварковое рассеяние (с).

Рис.12.2. Лептон-струйный канал распада tt̃ – пары. За лептоны здесь принимаются только мюон и электрон.

    На рис.12.2 приведена схема распада tt̃ – пары, где один из W распался по адронному каналу с образованием двух струй, другой по лептонному. Вероятность такого канала составляет 43,5%. В 10,3% случаев оба W распадаются по лептонному каналу. В остальных 46,2% образуется состояние из шести струй: четыре от распада топ-кварков и две от b-кварков. Первые два типа распада предпочтительнее для выделения и анализа.
    В Стандартной модели существуют три механизма одиночного рождения t-кварка. Диаграммы этих механизмов приведены на рис.12.3. В t-канальный механизм дают вклад слияние W и глюона и t-канальный обмен. Другие механизмы составляют ассоциированное рождение W и t ( Wt канал) и рождение в s-канале. Сечение одиночного рождения t-кварка для LHC оценивается в 320 пб ( NLO, в следующем за лидирующим порядке теории возмущений КХД).

Рис.12.3. Диаграммы трех механизмов одиночного рождения t-кварка в лидирующем порядке теории возмущений КХД: t-канальный; W t – ассоциированное рождение и s-канальный.

    Монте-Карло моделированный набор событий рождения tt̃ –кварков производился генератором MC@ NLO, где учитывался вклад следующего за лидирующим порядка, фрагментация и адронизация моделировались с HERWIG, а сопутствующие события моделировались с помощью Jimmy. Применялись и другие способы моделирования. Для моделирования одиночного рождения t-кварка использовался генератор AcerMC матричного элемента, а процессы фрагментации и адронизации моделировались с помощью PYTHIA. Отдельно моделировалось много событий различных фоновых процессов.
    В качестве триггера образования t-кварка используются триггеры на электрон, мюон, струю с большими поперечными импульсами, а также большая недостающая поперечная энергия. Большое количество объектов триггера делает выделение событий с рождением топ-кварков эффективным.
    Целью LHC является измерение массы t-кварка с точностью 1 ГэВ. Эти измерения предполагается выполнить в трех струйном канале t→ lνb qqb, где требуемую точность должно обеспечить измерение трех кварковых струй qqb. Для этого нужно уметь надежно измерять энергии струй от легких кварков (u, d, s и c) в области t-распада. На рис.12.4 показано разрешение определения энергии струй легких кварков для разных алгоритмов выделения струй.

Рис.12.4. Разрешение при определении энергии струй легких кварков для разных алгоритмов выделения струй.

Результаты реконструкции массы W по энергиям двух струй легких кварков приведены на рис.12.5 для сигнальных и фоновых событий. Результаты моделирования показывают, что массу W при распаде на два легких кварка можно измерить надежно, трудность состоит в правильном измерении струи b-кварка. Наиболее эффективным представляется алгоритм выделения струи с малым радиусам раскрытия R.

Рис.12.5. Инвариантная масса двух струй, которые отнесены к адронному распаду W. Сигнал и фон соответствуют интегральной светимости 1 фб-1. Для реконструкции струй использовался инклюзивный кт-алгоритм в Е схеме с радиусом струи R = 0,4. Точки соответствуют сигналу с фоном, нижняя гистограмма относится к фоновым событиям.

    При использовании разработанных методов идентификации струй от b-кварков измерение массы топ-кварков осуществляется с требуемой точностью. На рис.12.6 показан спектр эффективных масс трех струй в событиях с tt̃ , одиночным топ-кварком и фоновыми событиями W+струя. На рисунке справа те же события, но с условием ограничения массы W. Эти данные позволяют определить сечение образования пар топ-кварков на начальном этапе работы со статистической точностью 4,5% при интегральной светимости 100 пб^-1. Систематическая погрешность при этом составляет 4,9%.

Рис.12.6. Спектр эффективных масс трех струй в событиях с tt̃ , одиночным топ-кварком и фоновыми событиями W+струя. На рисунке справа (b)те же события, но с ограничением на массу W.

    Измерение сечения одиночного рождение топ-кварка в t-канале и в W_t-канале станет возможным при интегральной светимости в несколько фб^-1. При светимости 10 фб^-1 статистическая погрешность с определении сечения составит 20%. Для определения сечения рождения в в s-канале потребуется большая светимость.
    На светимости 1 фб^-1 детектор ATLAS может исследовать свойства топ-кварка и возможный вклад физики вне Стандартной модели. Прежде всего, будут выполнены прямые измерения электрического заряда t-кварка. Он заключается в определении взвешенной суммы зарядов всех адронов в струе b-кварка:

где q_i и p_i - заряд и импульс частиц струи, j – вектор направления оси струи, k – коэффициент, оптимизирующий расчеты. Показано, что для детектора ATLAS k = 0,5.
    Другой способ определения заряда t-кварка основан на определении заряда струи b-кварка через определение заряда неизолированного лептона внутри этой струи. Этот лептон преимущественно определяется типом распадающегося b- или анти b-кварка, но могут быть отклонения, связанные с осцилляциями нейтральных В-мезонов или присутствием в струе D-мезона, который является продуктом распада В-мезона и может образовать лептон другого заряда при своем распаде. Экспериментальное значение заряда струи b-кварка путем моделирования с учетом фоновых событий найдено равным Q_комб= - 0,094 ± 0,0042 (стат.погр.). Распределение величин Q_комб показано на рис.12.7.

Рис.12.7. Реконструированные распределения величины заряда струи b-кварка (а) и t-кварка (b).

    Заряд t-кварка определяется следующим образом. Заряд b-кварка Q _b = -1/3. используя реконструированный заряд b-струи, можно определить калибровочный коэффициент
С_b = Q _b/ Q_комб = 3,54 ± 0,16. Тогда электрический заряд топ-кварка есть

Q_t = Q(l+) + (Q_b+)∙C_b,

где l+ - заряд лептона и Q_b+ - заряд струи b-кварка. Для анти t-кварка эти заряды имеют отрицательный знак. Реконструированные распределения величины заряда t-кварка показаны на рис.12.7 (b). Реконструированное значение модуля величины заряда t-кварка, с учетом анти t, по этим данным составило Q_{t комб} = 0,67 ± 0,06 (стат.) ± 0,08 (сист.). Таким образом, обеспечивается надежное проведение измерений на интегральной светимости 1 фб^-1.
    Измерение поляризации W и t-кварка в событиях с tt̃ парами кварков служит выяснению природы механизмов образования и распада t-кварка и поиску новой физики за пределами Стандартной модели. Информация о спинах W и t определяется из угловых распределений продуктов их распада в системе покоя W или t-кварка, соответственно. Расчеты показывают, что точность от 1% до 5% в измерении поляризации может быть достигнута при интегральной светимости 10 фб^-1.