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: C_tW и C_itW. 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.