ATLAS измерил поляризацию одиночных топ-кварков и антикварков
Участники эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере измерили поляризацию топ-кварков и антикварков, рожденных по одному в процессе обмена W-бозона между двумя другими кварками. Ученые использовали тот факт, что распределения лептонов в распаде топ-кварка зависят от направления спина исходной частицы, а значит по ним можно узнать и ее поляризацию. Кроме того, физики усилили существующие ограничения на коэффициенты Вильсона для изученных процессов рождения топ-кварков и антикварков, значения которых чувствительны к Новой физике. Согласно результатам эксперимента, опубликованным на сайте коллаборации, измерения совпали с предсказаниями Стандартной модели.
Топ-кварк (он же t-кварк) – самый тяжелый из шести открытых кварков, благодаря чему он обладает рядом уникальных для кварков свойств. К примеру, за счет крайне малого времени жизни это единственный кварк, который не успевает адронизироваться (обзавестись одним или несколькими кварками другого цвета и войти в состав адрона) до своего распада. Кроме того, за счет своей большой массы он особенно сильно взаимодействует с полем Хиггса. Все это привлекает к топ-кварку внимание исследователей, и Большой адронный коллайдер ученые используют в качестве машины по получению и изучению свойств этой частицы. В частности, физикам интересно изучить поляризацию топ-кварка (и топ-антикварка) в различных процессах, которая определяет связь направления спина частицы и вектора ее движения.
Чаще всего топ-кварк в протон-протонных столкновениях на БАК рождается в составе пары топ-кварк и топ-антикварк. Для таких событий эксперимент ATLAS ранее уже измерил поляризацию рожденных кварков и получил ожидаемое близкое к нулю значение (в таких парных процессах кварки остаются практически неполяризованными). Однако топ-кварк может родиться и без одноименного антикварка: чаще всего такой процесс проходит по так называемому t-каналу в виде обмена W-бозона между двумя кварками со сменой их типа. В этом случае направление спина топ-кварка определяется в основном направлением движения парного ему кварка. Тем не менее в окончательную поляризацию вносят вклады и другие процессы в рамках Стандартной модели, а на ее финальное значение могут повлиять и еще не открытые элементарные частицы. Кроме того, значение поляризации должно быть иным для антикварков.
Теперь же участники эксперимента ATLAS опытным путем измерили поляризацию как топ-кварков, так и топ-антикварков, рожденных по одному в процессе взаимодействия двух кварков по описанному выше t-каналу. Для этого из общего массива данных по протон-протонным столкновениям при энергии 13 ТэВ им нужно было отобрать события рождения ровно одного топ-кварка или антикварка в ходе обмена W-бозона между двумя другими кварками. В этом случае критерий отбора – наличие в событии двух адронных струй, причем один из них должен быть характерным для адронизации боттом-кварка, в который распадается топ-кварк. Кроме того, физикам нужно было выделить лептонный канал распада топ-кварка, распределение частиц по направлениям в котором зависит от спина самого топ-кварка. Для этого ученые отбирали события, в которых рождались ровно один электрон или мюон. Помимо всего прочего, геометрия такого распада предполагает большое количество потерянного (невидимого детектором) поперечного импульса, что также учитывалось при отборе событий.
В отобранных событиях ученые измеряли вероятности вылета лептонов под определенным углом относительно направления движения топ-кварка или антикварка. Так как для случая лептонного распада эти вероятности напрямую связаны с направлением спина распадающейся частицы, физикам удалось определить значения поляризации одиночных топ-кварка и топ-антикварка, рожденных по t-каналу. Полученные значения (как и распределения сечений рожденных лептонов) в пределах погрешности совпали с предсказаниями Стандартной модели. Как и ожидалось, в случае топ-кварков их спин и вектор движения оказались практически сонаправленными, а для антикварка – противонаправленными.
Также для изученных распадов исследователи измерили так называемые коэффициенты Вильсона – численные величины, определяющие вклад экзотических поправок к Стандартной модели в виде операторов в рамках эффективной теории поля. Фактически данные коэффициенты позволяют численно оценить вклад еще не открытых частиц или других эффектов Новой физики на измеренные в экспериментах распределения и поляризации. Участникам ATLAS удалось получить ограничения на два таких коэффициента: CtW и CitW. Для второго коэффициента полученные ограничения оказались сильнейшими на настоящий момент. Оба значения в пределах погрешности оказались близки к нулю, а значит физики за пределами Стандартной модели в наблюдаемых явлениях ученые не наблюдали.
Топ-кварки на Большом адронном коллайдере изучают не только в столкновениях протонов: ранее мы писали о том, что следы топ-кварков нашли и в ядро-ядерных событиях. Кроме того, сами топ-кварки помогают физикам особенно точно изучать механизм Хиггса.
Физикам помогла простая математическая модель
Британские теоретики попытались разобраться, почему при слишком мелком помоле эспрессо получается невкусным. Для этого они построили простую модель протекания жидкости через два канала с пористым молотым кофе. Оказалось, что слишком мелкий помол запускает механизм с положительной обратной связью, из-за которого жидкость течет только по одному из каналов. Кофе во втором канале при этом остается недоэкстрагированным. Исследование опубликовано в Physics of Fluids. Для приготовления эспрессо нужно пропускать достаточно горячую воду под большим давлением через фильтр с молотым кофе. Люди научились готовить эспрессо еще в XIX веке, и с тех пор методом проб и ошибок сложилась практика получения наилучшего вкуса кофе. Однозначно формализовать качество кофе непросто, но чаще всего специалисты ориентируются на уровень (или выход) экстракции кофе — массовую долю растворившихся в воде химических компонентов зерен. В попытках разобраться в том, какая физика стоит за приготовлением эспрессо, несколько лет назад Фостер с коллегами провели экспериментальное и численное исследование этого процесса. Ученые уделили особое внимание помолу: модель предсказывала, что, чем меньше размер зерен, тем больше экстракция. Но эксперименты показали, что так происходит лишь до определенного порога, меньше которого уровень экстракции начинает снижаться. Этот эффект известен баристам давно. Его объясняют тем фактом, что при слишком мелком помоле в таблетке с кофе пробиваются паразитные каналы, через которые вода почти полностью утекает, игнорируя остальную кофейную массу. Фостер с коллегами учли этот факт, дополнительно наложив на модель ограничение на площадь экстракции. Тем не менее, остается проблема учета этого эффекта из первых принципов. Уильям Ли (William Lee) из университета Хаддерсфилд был одним из соавторов статьи Фостера. Ранее он с коллегами уже проводил независимые вычисления, связанные варкой кофе. На этот раз целью его группы стал вопрос о том, как именно происходит неравномерная экстракция при варке методом эспрессо. Для ответа на этот вопрос, физики построили довольно простую модель просачивания жидкости через два канала с пористым веществом. За основу они взяли уравнение Козени — Кармана, выведенное для упаковки сферических частиц. Вместе с ним авторы учли тот факт, что вещество помола экстрагируется в жидкость, уменьшая объем порошка. Решая полученные дифференциальные уравнения, физики смогли качественно воспроизвести главный эффект: по мере уменьшения размера зерен выход экстракции также спадает. Динамика потоков по каждому из каналов позволила понять, почему так происходит. Оказалось, все дело в механизме положительной обратной связи: чем больше протекает воды через канал, тем больше извлекается вещества и тем больше становится его пористость, а значит тем меньше сопротивление канала. В какой-то момент поток в одном из каналов становится максимальным, а в противоположном — падает почти до нуля. Несмотря на качественное объяснение, которое дала модель, ее количественные оценки разошлись с экспериментальными данными. Этот факт авторы объяснили простотой модели. В частности, они не учли стратификацию кофейной массы, а также использовали мономодальное распределение частиц, вместо бимодального, которым обладает реальный помол. Помимо усложнения модели, физики планируют включить в нее альтернативное объяснение эффекта, связанного с мельчанием помола, который заключается в закупоривании каналов зернами. Кофе — это один из немногих продуктов и в целом аспектов человеческой деятельности, который исследует огромное количество научных дисциплин от математики до экспериментальной психологии. Подробнее об этих исследованиях читайте в серии материалов и блогов «Сварен на калькуляторе», «Кофе (не) убьет», «Чашечку кофе?», «Кофе: проклятие четырех чашек».