Kuark top

Kuark top, kadang juga disebut sebagai kuark truth, (simbol: t) adalah yang paling masif dari semua partikel elementer yang teramati. Massa ini berasal dari koplingnya dengan medan Higgs. Kopling ini  sangat dekat dengan satu; dalam Model Standar fisika partikel, ini adalah kopling terbesar (terkuat) pada skala interaksi lemah dan di atasnya. Kuark top ditemukan pada tahun 1995 oleh eksperimen CDF dan DØ di Fermilab.

Seperti semua kuark lainnya, kuark top adalah sebuah fermion dengan spin-1/2 dan berpartisipasi dalam empat interaksi fundamental: gravitasi, elektromagnetisme, interaksi lemah, dan interaksi kuat. Ia memiliki muatan listrik sebesar + e. Ia memiliki massa , yang mendekati massa atom renium (lebih tepatnya, rata-rata isotopnya). antipartikel dari kuark top adalah antikuark top (simbol: , kadang disebut antikuark top atau hanya antitop), yang berbeda hanya karena beberapa propertinya memiliki magnitudo sama tetapi tanda berlawanan.

Kuark top berinteraksi dengan gluon dari interaksi kuat dan biasanya dihasilkan dalam tumbukan hadron melalui interaksi ini. Namun, setelah diproduksi, top (atau antitop) hanya dapat meluruh melalui gaya lemah. Ia meluruh menjadi boson W dan kuark bawah (paling sering), kuark aneh, atau dalam kasus paling jarang, kuark bawah.

Model Standar menentukan umur rata-rata kuark top sekitar . Ini sekitar seperdua puluh dari skala waktu interaksi kuat, sehingga ia tidak membentuk hadron, memberikan kesempatan unik bagi fisikawan untuk mempelajari kuark "telanjang" (semua kuark lainnya berhadronisasi, bergabung dengan kuark lain membentuk hadron dan hanya dapat diamati sebagai hadron).

Karena kuark top sangat masif, propertinya memungkinkan penentuan tidak langsung massa boson Higgs (lihat  di bawah). Dengan demikian, propertinya dipelajari secara ekstensif untuk membedakan teori-teori fisika baru di luar Model Standar. Kuark top adalah satu-satunya kuark yang teramati secara langsung karena waktu peluruhannya lebih pendek daripada waktu hadronisasi.

 Sejarah 

Pada tahun 1973, Makoto Kobayashi dan Toshihide Maskawa memprediksi keberadaan generasi ketiga kuark untuk menjelaskan pelanggaran CP yang diamati dalam peluruhan kaon. Nama top dan bottom diperkenalkan oleh Haim Harari pada 1975, untuk menyesuaikan dengan nama kuark generasi pertama (up dan down) mencerminkan bahwa keduanya merupakan komponen "atas" dan "bawah" dari sebuah isospin lemah doublet.

Proposal Kobayashi dan Maskawa sangat bergantung pada mekanisme GIM yang diajukan oleh Sheldon Glashow, John Iliopoulos dan Luciano Maiani, yang memprediksi keberadaan kuark pesona yang waktu itu belum teramati. (Bukti langsung keberadaan kuark, termasuk kuark generasi kedua seperti kuark aneh, ditemukan pada 1968; partikel aneh ditemukan tahun 1947.) Ketika pada Revolusi November 1974 tim di Brookhaven National Laboratory (BNL) dan Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) secara bersamaan mengumumkan penemuan meson J/ψ, meson tersebut segera diidentifikasi sebagai keadaan terikat kuark pesona dan antikuarknya. Penemuan ini memungkinkan mekanisme GIM menjadi bagian dari Model Standar. Dengan diterimanya mekanisme GIM, prediksi Kobayashi–Maskawa juga memperoleh kredibilitas. Kasus mereka diperkuat lebih jauh oleh penemuan tau oleh tim Martin Lewis Perl di SLAC antara 1974–1978. Tau mengumumkan generasi ketiga lepton, mematahkan simetri baru antara lepton dan kuark yang diperkenalkan oleh mekanisme GIM. Pemulihan simetri menyiratkan keberadaan kuark kelima dan keenam.

Tidak lama kemudian kuark kelima, bottom, ditemukan oleh tim E288 experiment, dipimpin oleh Leon Lederman di Fermilab pada 1977. Ini sangat menyiratkan bahwa pasti ada kuark keenam, top, untuk melengkapi pasangan tersebut. Diketahui bahwa kuark ini akan lebih berat dari bottom, membutuhkan energi lebih besar untuk diciptakan dalam tumbukan partikel, tetapi secara umum diharapkan segera ditemukan. Namun, butuh 18 tahun lagi sebelum keberadaan top dikonfirmasi.

Pencarian awal kuark top di SLAC dan DESY (di Hamburg) tidak menghasilkan apa-apa. Ketika pada awal 1980-an Super Proton Synchrotron (SPS) di CERN menemukan boson W dan boson Z, penemuan top kembali dianggap segera terjadi. Saat SPS mendapat kompetisi dari Tevatron di Fermilab, tetap tidak ada tanda partikel yang hilang itu, dan diumumkan oleh kelompok di CERN bahwa massa top harus setidaknya . Setelah perlombaan antara CERN dan Fermilab untuk menemukan top, akselerator di CERN mencapai batasnya tanpa menciptakan satu pun top, menaikkan batas bawah massanya ke .

Tevatron adalah (hingga dimulainya operasi LHC di CERN tahun 2009) satu-satunya penumbuk hadron yang cukup kuat untuk menghasilkan kuark top. Untuk mengonfirmasi penemuan di masa depan, detektor kedua, detektor DØ, ditambahkan (selain detektor Collider Detector at Fermilab (CDF) yang sudah ada). Pada Oktober 1992, kedua kelompok menemukan petunjuk pertama top, dengan satu peristiwa penciptaan yang tampak mengandung top. Dalam tahun-tahun berikutnya, lebih banyak bukti dikumpulkan dan pada 22 April 1994, kelompok CDF menyerahkan artikel yang menyajikan bukti tentatif keberadaan kuark top bermassa sekitar . Sementara itu, DØ tidak menemukan bukti lebih dari peristiwa sugestif 1992. Setahun kemudian, 2 Maret 1995, setelah mengumpulkan lebih banyak bukti dan menganalisis ulang data DØ (yang sebelumnya dicari untuk top yang jauh lebih ringan), kedua kelompok bersama-sama melaporkan penemuan top dengan massa .

Dalam tahun-tahun menjelang penemuan kuark top, disadari bahwa pengukuran presisi massa dan kopling boson vektor elektrolemah sangat sensitif terhadap nilai massa kuark top. Efek ini menjadi jauh lebih besar untuk massa top yang lebih tinggi dan karenanya dapat melihat top secara tidak langsung bahkan bila tidak dapat dideteksi secara langsung saat itu. Efek terbesar dari massa top adalah pada parameter T, dan pada 1994 presisi pengukuran tidak langsung ini menghasilkan prediksi massa top antara  dan . Pengembangan teknik yang memungkinkan perhitungan presisi tersebut pada akhirnya membuat Gerardus 't Hooft dan Martinus Veltman memenangkan Hadiah Nobel fisika 1999.

 Properti 

 Pada energi akhir Tevatron sebesar 1,96 TeV, pasangan top–antitop diproduksi dengan luas penampang sekitar 7 pikobarn (pb). Prediksi Model Standar (pada orde selanjutnya dengan  = ) adalah 6.7–7.5 pb.
 Boson W dari peluruhan kuark top membawa polarisasi dari partikel induk, sehingga menjadi alat unik untuk mempelajari polarisasi top.
 Dalam Model Standar, kuark top diprediksi memiliki bilangan kuantum spin  ħ dan muatan listrik  e. Pengukuran pertama dari muatan kuark top telah dipublikasikan, menghasilkan keyakinan bahwa muatan kuark top memang  e.

 Produksi 
Karena kuark top sangat masif, sejumlah besar energi diperlukan untuk menciptakannya. Satu-satunya cara untuk mencapai energi setinggi itu adalah melalui tumbukan energi tinggi. Ini terjadi secara alami di atmosfer atas Bumi ketika sinar kosmik bertumbukan dengan partikel di udara, atau dapat diciptakan dalam akselerator partikel. Pada 2011, setelah Tevatron berhenti beroperasi, Large Hadron Collider di CERN menjadi satu-satunya akselerator yang menghasilkan berkas dengan energi cukup untuk menghasilkan kuark top, dengan energi pusat massa 7 TeV. Ada beberapa proses yang dapat menghasilkan kuark top, tetapi secara konseptual dibagi dalam dua kategori: produksi pasangan top, dan produksi top tunggal.

 Pasangan kuark top 

Yang paling umum adalah produksi pasangan top–antitop melalui interaksi kuat. Dalam tumbukan, sebuah gluon berenergi tinggi tercipta, yang kemudian meluruh menjadi top dan antitop. Proses ini bertanggung jawab atas sebagian besar peristiwa top di Tevatron dan merupakan proses yang diamati ketika top pertama ditemukan pada 1995. Pasangan top–antitop juga dapat dihasilkan melalui peluruhan fotonn atau boson Z perantara. Namun, proses ini jauh lebih jarang dan memiliki tanda eksperimen yang hampir identik dalam sebuah penumbuk hadron seperti Tevatron.

 Kuark top tunggal 

Produksi kuark top tunggal melalui interaksi lemah merupakan proses yang sangat berbeda. Ini dapat terjadi dalam beberapa cara (disebut kanal): sebuah boson W perantara meluruh menjadi kuark top dan antibottom ("kanal-s") atau sebuah kuark bottom (mungkin tercipta berpasangan melalui peluruhan gluon) berubah menjadi kuark top dengan bertukar boson W dengan kuark up atau down ("kanal-t"). Sebuah kuark top tunggal juga dapat dihasilkan bersamaan dengan boson W, membutuhkan kuark bottom keadaan awal ("kanal tW"). Bukti pertama untuk proses ini dipublikasikan oleh kolaborasi DØ pada Desember 2006, dan pada Maret 2009 kolaborasi CDF dan DØ merilis artikel kembar dengan observasi definitif proses ini. Signifikansi utama pengukuran proses ini adalah bahwa frekuensinya berbanding lurus dengan komponen  dari matriks CKM.

 Peluruhan 
alt=ttbar-decay final states|thumb|upright=1.5|Semua keadaan akhir yang mungkin dari peluruhan pasangan kuark top
Satu-satunya cara yang diketahui kuark top dapat meluruh adalah melalui interaksi lemah, menghasilkan boson W dan kuark bawah.
Karena massanya yang besar, kuark top sangat berumur pendek, dengan umur yang diprediksi hanya . Akibatnya, kuark top tidak memiliki waktu untuk membentuk hadron sebelum meluruh seperti kuark lainnya.
Tidak adanya hadron di sekitar kuark top memberikan kesempatan unik bagi fisikawan untuk mempelajari perilaku kuark “telanjang”.

Secara khusus, dimungkinkan untuk menentukan langsung rasio percabangan:

Penentuan terbaik saat ini untuk rasio ini adalah . Karena rasio ini sama dengan  menurut Model Standar, ini memberikan cara lain menentukan elemen CKM , atau dikombinasikan dengan penentuan  dari produksi top tunggal memberikan pengujian asumsi bahwa matriks CKM uniter.

Model Standar juga memungkinkan peluruhan lebih eksotis, namun hanya pada tingkat satu loop, artinya sangat jarang. Secara khusus, mungkin kuark top meluruh menjadi kuark tipe-up lain (up atau charm) dengan memancarkan foton atau boson Z. Namun, pencarian terhadap mode peluruhan eksotis ini tidak menghasilkan bukti apa pun, sesuai dengan ekspektasi Model Standar. Rasio percabangan peluruhan ini telah ditentukan kurang dari 1,8 dari 10000 untuk peluruhan fotonik dan kurang dari 5 dari 10000 untuk peluruhan boson Z pada tingkat keyakinan 95%.

 Massa dan kopling terhadap boson Higgs 
Model Standar menghasilkan massa fermion melalui kopling mereka terhadap boson Higgs. Boson Higgs bertindak sebagai medan yang memenuhi ruang. Fermion berinteraksi dengan medan ini sebanding dengan konstanta kopling individu mereka , yang menghasilkan massa. Partikel bermassa rendah, seperti elektron, memiliki kopling sangat kecil , sementara kuark top memiliki kopling terbesar dengan Higgs, .

Dalam Model Standar, semua kopling Higgs–Yukawa kuark dan lepton kecil dibandingkan kopling Yukawa kuark top. Hirarki massa fermion ini tetap menjadi masalah mendalam dalam fisika teori. Kopling Higgs–Yukawa bukan konstanta tetap alam, karena nilainya berubah perlahan sesuai dengan skala energi (skala jarak) tempat mereka diukur. Dinamika kopling ini, disebut "konstanta kopling berjalan", disebabkan oleh efek kuantum yang dinamakan kelompok renormalisasi.

Kopling Higgs–Yukawa kuark up, down, charm, strange, dan bottom dihipotesiskan memiliki nilai kecil pada skala energi tinggi unifikasi agung, . Nilai-nilai ini meningkat pada skala energi lebih rendah, tempat massa kuark dihasilkan oleh Higgs. Pertumbuhan kecil ini disebabkan oleh koreksi dari kopling QCD. Koreksi dari kopling Yukawa tidak signifikan untuk kuark bermassa lebih rendah.

Salah satu pandangan dominan dalam fisika partikel adalah bahwa besarnya kopling Yukawa Higgs-kuark top ditentukan oleh sifat nonlinier unik dari persamaan kelompok renormalisasi yang menggambarkan running kopling Yukawa besar kuark top. Jika sebuah kopling Yukawa kuark memiliki nilai besar pada energi sangat tinggi, koreksi Yukawanya akan berkembang turun dalam skala massa dan membatalkan koreksi QCD. Ini dikenal sebagai (quasi-) infrared fixed point, yang pertama kali diprediksi oleh B. Pendleton dan G.G. Ross, dan oleh Christopher T. Hill, Tidak peduli apa nilai awal kopling, bila cukup besar akan mencapai nilai titik tetap ini. Massa kuark yang bersesuaian kemudian diprediksi.

Kopling Yukawa kuark top berada sangat dekat infrared fixed point Model Standar. Persamaan kelompok renormalisasi adalah:

di mana  adalah kopling gauge warna,  adalah kopling gauge isospin lemah, dan  adalah kopling gauge hiper-muatan lemah. Persamaan ini menggambarkan bagaimana kopling Yukawa berubah dengan skala energi . Solusi untuk nilai awal besar  menyebabkan ruas kanan persamaan cepat mendekati nol, mengunci  ke kopling QCD .

Nilai titik tetap kuark top ditentukan cukup tepat dalam Model Standar, menghasilkan massa kuark top sebesar 220 GeV. Ini sekitar 25% lebih besar daripada massa top yang diamati dan mungkin memberi petunjuk adanya fisika baru pada skala energi lebih tinggi.

Titik tetap inframerah semikuat ini kemudian menjadi dasar teori kondensasi kuark top dan topcolor dalam mekanisme pematahan simetri elektrolemah, di mana boson Higgs tersusun dari pasangan kuark top dan antitop. Massa kuark top yang diprediksi menjadi lebih selaras dengan titik tetap jika terdapat skalar Higgs tambahan di luar Model Standar dan mungkin menjadi petunjuk adanya spektrum kaya medan Higgs baru pada skala energi yang dapat diselidiki dengan LHC dan peningkatannya.

 Lihat pula 
 CDF experiment
 Quark model
 Top quark condensate
 Topcolor
 Topness

 Catatan kaki 

 Referensi 


 Bacaan lanjutan 




 Pranala luar