탑쿼크

Top quark
탑쿼크
Top antitop quark event.svg
탑 쿼크와 관련된 충돌 이벤트
구성.소립자
통계 정보페르미온의
가족쿼크
시대셋째
상호 작용강, 약, 전자기, 중력
기호.
t
.
반입자탑 앤티파크(
t
)
이론화고바야시 마코토와 마스카와 도시히데(1973년)
발견된CDF와 Dö의 콜라보레이션(1995년)
덩어리172.76±0.3GeV/c2[1]
로 분해되다.바닥 쿼크(99.8%)
이상한 쿼크(0.17%)
다운쿼크(0.007%)
전하+ 2/3e
색전하네.
스핀1/2
톱니스1
약한 아이소스핀좌측: +1/2, 우측: 0
약한 하이퍼차지좌측: +1/3, 우측: +4/3

때때로 진실 쿼크로도 불리는 꼭대기 쿼크는 관찰된 모든 소립자 중에서 가장 무겁습니다.그것은 힉스 보손과의 결합에서 질량을 얻는다.이 t는 단일성에 매우 가깝습니다. 입자 물리 표준 모델에서 약한 상호작용 이상의 규모에서 가장 큰(가장 강한) 커플링입니다.맨 위 쿼크는 1995년 페르미랍에서 CDF와[2] Dö[3] 실험을 통해 발견되었다.

다른 모든 쿼크와 마찬가지로, 꼭대기 쿼크는 스핀 1/2을 가진 페르미온이며 중력, 전자기, 약한 상호작용, 그리고 강한 상호작용의 네 가지 기본 상호작용에 모두 참여합니다.전하가 +2/3e입니다.질량은 172.76±0.3GeV/c로2 [1]레늄 원자 [4]질량에 가깝다.꼭대기 쿼크의 반입자는 꼭대기 반쿼크(기호: t, 때때로 반토프 쿼크 또는 단순히 반토프라고 불림)이며, 일부 특성이 크기는 같지만 부호는 반대라는 점에서 그것과는 다릅니다.

상단 쿼크는 강한 상호작용의 글루온과 상호작용하며 일반적으로 이 상호작용을 통해 강입자 충돌기에서 생성됩니다.그러나 일단 생산되면 상부(또는 안티톱)는 약한 힘을 통해서만 붕괴될 수 있습니다.W 보손과 바닥 쿼크(가장 자주), 이상한 쿼크 또는 드물게 다운 쿼크로 붕괴됩니다.

표준 모델은 상단 쿼크의 평균 수명을 대략 5×[5]10초로−25 결정합니다.이것은 강한 상호작용을 위한 시간 척도의 약 20분의 1이고, 따라서 그것은 강입자를 형성하지 않고, 물리학자들에게 "나선" 쿼크를 연구할 수 있는 독특한 기회를 줍니다.

꼭대기 쿼크는 매우 질량이 크기 때문에 그 성질을 통해 힉스 입자의 질량을 간접적으로 결정할 수 있었다(아래의 mass 질량과 힉스 입자에 대한 결합 참조).이와 같이, 톱 쿼크의 특성은 표준 모델을 넘어 경쟁하는 새로운 물리 이론을 구별하는 수단으로서 광범위하게 연구되고 있다.꼭대기 쿼크는 붕괴 시간이 하드론화 [6]시간보다 짧기 때문에 직접 관찰된 유일한 쿼크입니다.

역사

1973년 고바야시 마코토와 마스카와 토시히데는 카온 붕괴에서 관찰된 CP 위반을 설명하기 위해 3세대 쿼크의 존재를 예측했다.위와 아래라는 이름은 [7][8]1975년 하임 하라리에 의해 도입되었는데, 이는 쿼크의 1세대(위아래)의 이름과 일치하기 위해 두 가지가 약한 아이소스핀 더블렛의 "[9][10]위"와 "아래" 성분이었다는 사실을 반영하였다.

고바야시와 마스카와의 제안은 셸던 글래쇼, 존 일리오풀로스, 루치아노 마이아니가 [11]제시한 GIM 메커니즘에 크게 의존해 당시 관측되지 않았던 참 쿼크의 존재를 예측했다(다른 2세대 쿼크인 이상한 쿼크는 1968년에 이미 검출되었다).1974년 11월 브룩헤이븐 국립연구소(BNL)와 스탠포드 선형가속기센터(SLAC)의 팀이 동시에 J/linear Accelerator Center(SLAC)의 발견을 발표했을 때, 그것은 곧 반쿼크와 함께 사라진 참 쿼크의 결합 상태로 확인되었다.이 발견을 통해 GIM 메커니즘은 표준 [12]모델의 일부가 되었습니다.GIM 메카니즘의 수용에 의해, 고바야시와 마스카와의 예측도 신빙성이 높아졌다.이들의 사례는 [13]1974년과 1978년 사이 SLAC의 마틴 루이스 펄 교수팀이 타우를 발견함으로써 더욱 강화되었다.타우는 GIM 메커니즘에 의해 도입된 렙톤과 쿼크 사이의 새로운 대칭을 깨면서 렙톤 3세대를 발표했다.대칭의 회복은 다섯 번째 쿼크와 여섯 번째 쿼크의 존재를 암시했다.

1977년 [14][15][16]페르미랍의 레온 레더만이 이끄는 E288 실험팀에 의해 바닥인 다섯 번째 쿼크가 발견될 때까지 오래 걸리지 않았다.이것은 쌍이 완성되기 위해서는 여섯 번째 쿼크인 꼭대기가 있어야 한다는 것을 강하게 시사했다.이 쿼크는 바닥보다 무거워 입자 충돌에 더 많은 에너지를 필요로 하는 것으로 알려졌지만, 일반적인 예상은 곧 여섯 번째 쿼크가 발견될 것이라는 것이었다.하지만 정상의 존재가 [17]확인되기까지는 18년이 더 걸렸다.

SLAC와 DESY(함부르크)의 탑 쿼크에 대한 초기 검색은 빈손으로 이루어졌다.1980년대 초 CERN의 슈퍼 프로톤 싱크로트론(SPS)이 W 보손과 Z 보손을 발견했을 때, 정상의 발견이 임박했음을 다시 느꼈다.SPS가 페르미랍의 Tevatron과 경쟁함에 따라 입자 소실의 징후는 아직 발견되지 않았으며, CERN의 그룹에서는 최고 질량이 41GeV/c2 이상이어야 한다고 발표했습니다. CERN과 페르미랍이 최고 질량을 발견하기 위해 경쟁한 후, CERN의 가속기는 단 한 번도 B를 누르지 않고 한계에 도달했습니다.최대 77GeV/c의2 [17]질량을 자랑합니다.

Tevatron은 (2009년 CERN에서 LHC 운영을 시작하기 전까지) 탑 쿼크를 생성할 수 있을 만큼 강력한 유일한 하드론 충돌기였습니다.향후 발견을 확인하기 위해 두 번째 검출기인 Dö 검출기가 복합체에 추가되었다(이미 존재하는 페르미랍 충돌기 검출기(CDF) 외에).1992년 10월, 두 그룹은 꼭대기에 대한 첫 번째 힌트를 발견했고, 꼭대기가 포함된 것으로 보이는 단일 창조 행사를 했다.이후 몇 년 동안 더 많은 증거가 수집되었고 1994년 4월 22일 CDF 그룹은 질량이 약 175 GeV2/c인 꼭대기 쿼크의 존재에 대한 잠정적인 증거를 제시하는 논문을 제출했다.한편, Dö는 1992년의 시사 사건보다 더 많은 증거를 발견하지 못했다.1년 후인 1995년 3월 2일, 더 많은 증거를 수집하고 (더 가벼운 상단을 검색한) Dö 데이터를 재분석한 후, 두 그룹은 176±18 GeV/c2 [2][3][17]질량의 상단을 발견했다고 공동으로 보고했다.

꼭대기 쿼크가 발견되기까지 몇 년 동안, 전자 약 벡터 보손 질량과 커플링의 특정 정밀 측정치가 꼭대기 쿼크 질량의 값에 매우 민감하다는 것을 알게 되었다.이러한 효과는 꼭대기 질량의 값이 클수록 훨씬 커지기 때문에 당시 어떤 실험에서 직접적으로 검출할 수 없었더라도 간접적으로 꼭대기 쿼크를 볼 수 있다.꼭대기 쿼크 질량의 가장 큰 영향은 T 매개변수에 대한 것이었으며, 1994년까지 이러한 간접 측정의 정밀도는 꼭대기 쿼크 질량을 145GeV2/c에서 185GeV/c2 [17]사이로 예측하게 되었다.1999년 [18][19]제라르두스 트 호프트와 마르티누스 벨트만이 노벨 물리학상을 수상하게 된 것은 궁극적으로 이러한 정밀 계산을 가능하게 한 기술의 발전이다.

특성.

  • 최종 테바트론 에너지 1.96TeV에서 상단-안티톱 쌍은 약 7피코반(pb)[20]의 단면으로 생성되었다.표준 모델 예측(m = 175 GeV/c의t2 차수 순서)은 6.7-7.5 pb이다.
  • 꼭대기 쿼크 붕괴에서 나온 W 보손은 모입자로부터의 편광을 전달하기 때문에 꼭대기 편광에 대한 독특한 탐침이 됩니다.
  • 표준 모델에서, 상단 쿼크는 스핀 양자 수를 가질 것으로 예측됩니다.1/2와 +2/3의 전하입니다.꼭대기 쿼크 전하의 첫 번째 측정치가 발표되었고, 그 결과 꼭대기 쿼크 전하가 실제로 +2⁄[21]3이라는 확신이 생겼다.

생산.

꼭대기 쿼크는 매우 질량이 크기 때문에 쿼크를 생성하기 위해서는 많은 에너지가 필요합니다.그러한 높은 에너지를 얻는 유일한 방법은 고에너지 충돌을 통해서이다.이것들은 우주선이 대기 중의 입자와 충돌할 때 지구의 상층 대기에서 자연적으로 발생하거나 입자 가속기에서 생성될 수 있다.2011년 테바트론의 작동이 중단된 후, CERN의 대형 강입자 충돌기는 질량 중심 에너지가 7TeV인 꼭대기 쿼크를 생성하기에 충분한 에너지의 빔을 생성하는 유일한 가속기가 되었습니다.톱 쿼크의 생산으로 이어지는 프로세스는 여러 가지가 있지만 개념적으로는 톱 페어 생산과 싱글 탑 생산의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

탑쿼크 쌍

글루온-글루온 융합
T채널
쿼크-토크 소멸

가장 일반적인 것은 강력한 상호작용을 통한 탑-안티탑 쌍 생성이다.충돌 시 고에너지 글루온이 생성되고, 그 후 탑과 안티톱으로 붕괴됩니다.이 과정은 Tevatron의 주요 이벤트의 대부분을 담당했으며,[22] 1995년 탑이 처음 발견되었을 때 관찰된 과정이었다.또한 중간 광자 또는 Z-보손의 붕괴를 통해 탑 안티톱 쌍을 생성할 수 있다.그러나 이러한 과정은 훨씬 드물고 테바트론과 같은 하드론 충돌기에서 거의 동일한 실험 시그니처를 가질 것으로 예상됩니다.

싱글 탑 쿼크

s채널
T채널
tW 채널

약한 상호작용을 통한 단일 꼭대기 쿼크의 생산은 완전히 다른 과정이다.이 문제는 다음과 같은 여러 가지 방법으로 발생할 수 있습니다(채널이라고 부릅니다.중간 W보손은 위쪽 및 반대쪽 쿼크("s채널")로 붕괴되거나 아래쪽 쿼크(아마도 글루온의 붕괴를 통해 쌍으로 생성됨)가 위쪽 또는 아래쪽 쿼크("t채널")와 W보손을 교환하여 위쪽 쿼크로 변환된다.또한 W 보손과 관련하여 단일 탑 쿼크를 생성할 수 있으며, 초기 상태 바닥 쿼크("tW 채널")가 필요합니다.이러한 프로세스에 대한 첫 번째 증거는 2006년 [23]12월 Dö 협력에 의해 발표되었으며, 2009년 3월 CDF[24] 및 Dö[22] 협력은 이러한 프로세스를 명확하게 관찰한 두 개의 기사를 발표했다.이러한 생산 공정을 측정하는 데 있어 가장 중요한 의미는 주파수가 CKM 매트릭스의 Vtb 성분에 정비례한다는 것입니다.

붕괴

ttbar-decay final states
탑 쿼크 쌍의 붕괴에 대한 가능한 모든 최종 상태

위 쿼크가 붕괴할 수 있는 유일한 방법은 약한 상호작용을 통해 W 보손과 아래 [a]쿼크를 생성하는 것입니다.거대한 질량 때문에 꼭대기 쿼크는 수명이 5×[5]10초밖에−25 되지 않을 정도로 매우 짧습니다.결과적으로, 꼭대기 쿼크는 다른 쿼크처럼 [b]강입자를 형성하기 위해 붕괴하기 전에 시간이 없습니다.꼭대기 쿼크를 둘러싼 하드론의 부재는 물리학자들에게 "맨발의" 쿼크의 행동을 연구할 수 있는 독특한 기회를 제공한다.

특히 분기비 δ(Wb+) / δ(Wq+ q = b, s, d)를 직접 결정할 수 있다.이 비율의 최선의 전류 측정은 0.957±0.034입니다.[25]이 비율은 표준 모델에 따라 V와tb 같기 때문에 CKM 원소tb V를 결정하는 또 다른 방법을 제공하거나 단일 톱 생산에서 V를tb 결정하는 것과 조합하여 CKM 행렬이 [26]단일하다고 가정하는 테스트를 제공합니다.

Standard Model은 더 이국적인 데크를 허용하지만, 이는 매우 드물다는 것을 의미하며 한 루프 레벨은 1개뿐입니다.특히 꼭대기 쿼크가 광자 또는 Z-보손을 [27]방출함으로써 또 다른 업형 쿼크(업 또는 부적)로 붕괴될 수 있다.그러나 이러한 외래 붕괴 모드에 대한 연구는 표준 모델의 예상에 따라 이러한 붕괴가 발생한다는 증거를 제시하지 못했다.이러한 붕괴의 분기 비율은 95% [25]신뢰도에서 광전자 붕괴의 경우 10000년 1.8 미만, Z 보손 붕괴의 경우 10000년 5 미만인 것으로 확인되었습니다.

힉스 입자에 대한 질량 및 커플링

표준 모델은 힉스 입자에 대한 커플링을 통해 페르미온 질량을 생성합니다.이 힉스 입자는 필드 충전 공간 역할을 합니다.페르미온은 질량을 생성하는 각각의 결합 displaystyle 에 비례하여 이 필드와 상호작용합니다.전자와 같은 저질량 입자는 y 2× -6({{t}}= 10을 가지며, 상단 쿼크는 와의 결합 y 1({ 스타일 text 10^{-6을 가지며, 이러한 결합을 보통 힉스라고 .유카와 커플링은 재규격화 그룹이라는 양자 효과에 의해 측정되는 에너지 스케일이 변화함에 따라 서서히 변화합니다.

표준 모델에서 모든 쿼크와 렙톤 힉스-유카와 커플링은 꼭대기 쿼크 유카와 커플링에 비해 작다.페르미온 질량의 이 계층은 이론 물리학에서 여전히 심오하고 개방적인 문제로 남아 있다.힉스-유카와 커플링은 측정 시 에너지 척도(거리 척도)에 따라 값이 천천히 달라지기 때문에 자연의 고정 상수가 아니다.이 힉스의 역학관계는-유카와 커플링은 '실행 커플링 상수'로 불리며 재규격화 그룹이라는 양자 효과에 기인한다.

더 힉스-위, 아래, 매력, 기묘, 바닥 쿼크의 유카와 커플링은 대통일이라는 매우 높은 에너지 척도인 10GeV에서15 작은 값을 갖는 것으로 가정된다.힉스 입자에 의해 쿼크 질량이 생성되는 낮은 에너지 척도에서 값이 증가합니다.약간 늘어난 것은 QCD 커플링의 수정에 의한 것입니다.유카와 커플링의 보정은 질량이 낮은 쿼크에 대해서는 무시할 수 있다.

입자 물리학에서 일반적인 견해 중 하나는 꼭대기 쿼크 힉스의 크기가-유카와 커플링은 큰 힉스의 실행을 설명하는 재규격화 그룹 방정식의 고유한 비선형 특성에 의해 결정된다.톱 쿼크의 유카와 커플링.쿼크가 힉스일 경우-유카와 커플링은 매우 높은 에너지로 큰 값을 가지며, 유카와 보정은 질량 규모로 하향 진화하고 QCD 보정에 대해 취소된다.이것은 (준) 적외선 고정점으로 알려져 있으며, B에 의해 처음 예측되었습니다.펜들턴과 G.G. 로스[28] 그리고 C.T.에 의해.힐.[29] 커플링의 초기 시작값이 얼마이든 간에 충분히 크면 이 고정점 값에 도달합니다.그리고 대응하는 쿼크 질량을 예측한다.

톱 쿼크 유카와 커플링은 표준 모델의 적외선 고정점 근처에 있습니다.재규격화 그룹 방정식은 다음과 같습니다.

여기서3 g는 컬러 게이지 커플링, g는2 약한 이소스핀 게이지 커플링, g는1 약한 하이퍼차지 게이지 커플링입니다.이 방정식은 에너지 척도 μ에 따라 유카와 커플링이 어떻게 변화하는지 설명한다.큰 초기값t y에 대한 이 방정식의 해는 방정식의 오른쪽이 빠르게 0에 가까워지고 y가 QCD 커플링3 g에 고정됩니다t.

상단 쿼크 고정점의 값은 표준 모델에서 상당히 정밀하게 결정되므로 상단 쿼크 질량은 220GeV가 됩니다.이는 관측된 꼭대기 질량보다 약 25% 더 크고 더 높은 에너지 척도로 새로운 물리학을 암시하는 것일 수 있습니다.

준적외선 고정점은 이후 힉스 입자가 꼭대기 쿼크와 반대 쿼크의 쌍으로 구성된 초단거리 척도로 합성되는 전기 약대칭 파괴의 꼭대기 쿼크 응축 이론의 기초가 되었다.예측된 꼭대기 쿼크 질량은 표준 모델을 초과하는 추가적인 힉스 스칼라가 있는 경우 고정점과 더 잘 일치하며, 새로운 힉스장의 풍부한 분광학이 LHC 및 [30][31]그 업그레이드를 통해 탐사할 수 있는 에너지 척도에 있음을 나타낼 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

각주

  1. ^ 대부분의 상층 쿼크는 질량이 상층 쿼크에 가장 가까운 하층 쿼크를 생성한다.아주 드문 경우지만 그것은 이상한 쿼크로 붕괴될 수 있다; 거의 절대 다운 쿼크가 아니다.
  2. ^ 상단 쿼크 붕괴는 강한 교호작용보다 빠른 약한 공정의 예외적인 예입니다.

레퍼런스

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