Физики из CMS уточнили массу топ-кварка

Физики из коллаборации CMS сообщили о повторной обработке части данных о рождении топ-кварковых пар, собранных за второй сезон работы Большого адронного коллайдера. С помощью усовершенствованного анализа им удалось уточнить значение массы топ-кварка, которое оказалось равным 171,77 ± 0,38 гигаэлектронвольт, что согласуется со Стандартной моделью. С результатами работы можно ознакомиться на сайте коллаборации.

Топ-кварк — это самая тяжелая из известных элементарных частиц. Его масса относится к важнейшим свободным параметрам Стандартной модели. Из-за большой юкавовской константы связи топ-кварк дает весомый вклад в поправки высокого порядка к массе бозона Хиггса. Это означает, что, чем точнее мы измеряем его массу, тем более строгие ограничения накладываются на параметры электрослабого взаимодействия. В конечном итоге совместное точное измерение всех частиц позволяет проверять Стандартную модель на самосогласованность. Это особенно актуально в свете недавнего сообщения коллаборации CDF о том, что измеренная ими масса W-бозона сильно отклоняется от общепринятого значения (про возможные последствия этого результата вы можете прочитать в материале «Камешек в ботинке»).

С момента обнаружения топ-кварка в середине 90-х годов прошлого века точность в определении его массы неуклонно растет. При этом у разных групп результаты слегка отличаются. Так, комбинация результатов коллабораций CDF и DZero, работавших на Тэватроне, показала, что масса топ-кварка равна 174,30 ± 0,65 гигаэлектронвольт. В то же время эксперименты ATLAS и CMS на основе данных, собранных за первый сезон работы Большого адронного коллайдера, сообщили о своих значениях: 172,69 ± 0,48 и 172,44 ± 0,48 гигаэлектронвольт, соответственно.

И хотя уже начался третий сезон работы БАКа, результаты обработки данных, собранных на предыдущем этапе, появляются только сейчас. Так, в 2018 году коллаборация CMS сообщила об извлечении из данных о лептон-струйном канале распада пары топ-кварка и топ-антикварка массы этой частицы, которая оказалась равна 172,25 ± 0,63 гигаэлектронвольт. Теперь физики улучшили метод обработки тех же данных, получив значение 171,77 ± 0,38 гигаэлектронвольт.

Топ-кварки рождаются в протон-протонных столкновениях на БАКе преимущественно в виде кварк-антикварковых пар и чаще всего распадаются на нижний кварк и W-бозон. Рождение такой пары можно зафиксировать по продуктам распада W-бозонов. Так как эти бозоны могут порождать либо адроны, либо лептоны, физики выделяют три канала наблюдения топ-кварковых пар: чисто лептонный, чисто адронный (струйный) и лептон-струйный.

В публикации 2018 года физики с CMS использовали данные о лептон-струйном канале распада пар топ-кварка и топ-антикварка в столкновении протон-протонных пучков с энергией 13 тэраэлектронвольт. Для извлечения из них массы они применяли метод идеограммы, который активно использовался во время обработки результатов первого сезона работы. При этом, однако, не были явно учтены эффекты воссоединения цвета, что привело к увеличению систематической неопределенности.

В новой работе исследователи применили ряд усовершенствований к тем же данным для более точного извлечения массы топ-кварка. В частности, они добавили в анализ разработанные недавно алгоритмы настройки событий CP5 и выделения ароматов струй DEEPJET. Кроме того, они увеличили с трех до пяти количество различных экспериментальных наблюдаемых, используемых при максимизации функций правдоподобия.

В результате всех улучшений физики с CMS достигли рекордно малой неопределенности в измерении массы топ-кварка, равной 0,38 гигаэлектронвольт. Она включает в себя также статистические погрешности равные 0,04 гигаэлектронвольт. Сама масса при этом уменьшилась, достигнув 171,77 гигаэлектронвольт. Эта величина согласуется со Стандартной моделью, однако, как и в случае с W-бозоном, она сильнее отдалилась от результата, полученного на Тэватроне, что может указывать на общий систематический эффект. В будущем физики планируют применить новую обработку к остальному массиву данных, собранных за второй сезон работы БАКа.

Эксперимент CMS ищет топ-кварки не только в протон-протонных столкновениях, но и в столкновениях тяжелых ядер. А их соседи по коллайдеру, коллаборация ATLAS, недавно измерили поляризацию одиночных топ-кварков и антикварков.

Марат Хамадеев