Врвен кварк

Врвен кварк, вистинит кварк или t-кварк (симб. t, од анг. ''top'' или ''truth'') — најмасивната од сите познати елементарни честички. Како и сите кваркови, врвниот кварк е елементарен фермион со спин од , и подлежи на сите четири основни заемодејства: гравитацијата, електромагнетизмот, слабото и силното заемодејство. Има електричен полнеж од + ''e'', и голема маса од 172,44 ± 0,13 (стат) ± 0,47 (сист), приближно иста како атом на волфрамот. Античестичка на врвниот кварк е врвниот антикварк (симб. ), кој се разликува од него само по тоа што неговите својства имаат еднаква величина, но спротивен знак.
Врвниот кварк дејствува претежно преку силното заемодејство, но може да се распаѓа и преку слабата сила. Се распаѓа на еден W-бозон и еден длабински кварк (најчесто), еден чуден кварк или (најретко), еден долен кварк. Според стандардниот модел, неговиот среден животен е приближно . Ова е една дваесетина од векот на силните заемодејства, и затоа не образува хадрони, давајќи им на физичарите единствена можност да изучуваат „гол“ кварк (сите други кваркови се хадронизираат, т.е. се здружуваат со други кваркови, образувајќи хадрони, и можат да се набљудуваат само како такви). Поради големата масивност, својствата на врвниот кварк даваат прилика да се предвиди масата на Хигсовиот бозон по извесни дополнувања на стандардниот модел. Затоа, овој кварк е од голема корист при разлачувањето на разните конкурентни теории.
Неговото постоење (заедно со постоењето на длабинскиот кварк) е првпат претпоставено во 1973 г. од јапонските физичари Макото Кобајаши и Тошихиде Маскава за да се објаснат забележаните нарушувања во полнежната парност (CP-нарушувања) при распадот на каонот, а опитно е откриен во 1995 г. со судирачите CDF и DØ во Фермилаб. Кобајаши и Маскава во 2008 г. ја добиле Нобеловата награда за физика за предвидувањето на врвниот и длабинскиот кварк, кои заедно го сочинуваат третото поколение на кваркови.
1 Историја
Во 1973 г. јапонските физичари Макото Кобајаши и Тошихиде Маскава го предвиделе постоењето на кварковите од трето поколение за да се објаснат забележаните CP-нарушувања во распадот на каонот. Називите „врвен“ (''top'') и „длабински“ (''bottom'') се воведени од израелскиот физичар Хаим Харари во 1975 г.,
за да одговараат на називите на кварковите од првото поколение (горниот и долниот), одразувајќи го фактот што тие се „горната“ и „долната“ составница на двојката со слаб изоспин. Врвниот кварк порано се нарекувал и ''вистинит кварк'' (''truth quark''), но со време се наметнал поимот „врвен“ (''top quark'').
Предлогот на Кобајаши и Маскава во голема мера се ослонувал на ГИМ-механизмот претставен од Шелдон Ли Глешоу, Јоанис Илиопулос и Лучано Мајани, со кој се предвидува постоењето на дотогаш опитно незабележаниот волшебен кварк. Во ноември 1974 г. екипите во Брукхејвенската национална лабораторија (BNL) и Стенфордскиот линеарнозабрзувачки центар (SLAC) истовремено го објавиле откривањето на J/ψ-мезонот, наскоро утврдувајќи дека се работи за врзана состојба на волшебниот кварк и неговиот антикварк. Со ова откритие, ГИМ-меганизмот станал дел од стандардниот модел. Со усвојувањето на механизмот, предвидувањето на Кобајаши и Маскава добило на тежина, дотолку повеќе со откривањето на тау-честичката од екипата во SLAC под водство на Мартин Луис Перл помеѓу 1974 и 1978 г. Откритието значело воведување на трето поколение на лептони, нарушувајќи ја новата симетрија помеѓу лептоните и кварковите воведена со ГИМ-меганизмот. За да може да се поврати симетријата, станало јасно дека мора да постојат и петти и шести кварк.
Набргу (во 1977 г.) екипата на опитот E288 под водство на Леон Ледерман во Фермилаб го открила и петтиот кварк — длабинскиот. Со ова станало јасно дека мора да постои шести „врвен“ кварк за да се дополни парот. Се знаело дека овој кварк треба да е потежок од длабинскиот (што значи повеќе енергија на судирите), но се сметало дека истиот набргу ќе биде откриен. Сепак, поминале дури 18 години пред да се потврди постоењето на врвниот кварк.
Првите обиди за пронаоѓање на врвниот кварк во SLAC и DESY (во Хамбург) завршиле неуспешно. На почетокот на 1980-тите, Протонскиот суперсинхротрон (SPS) во CERN ги открил W-бозонот и Z-бозонот, што довело до убеденост дека откривањето на врвниот кварк мора да е на повидок. SPS добиле конкуренција од Теватрон во Фермилаб но сè уште немале наоди за честичката, додека групата во CERN веќе објавила дека масата на врвниот кварк мора да биде барем . Со ова отпочнала трка за откривање на врвниот кварк меѓу CERN и Фермилаб, но забрзувачот во CERN ја достигнал својата граница без да ја добие честичката, со тоа кревајќи ја долната граница на неговата маса на .
Теватрон бил (сè до пуштањето на Големиот хадронски судирач на CERN во 2009 г.) единствениот хадронски судирач со доволна моќ да создава врвни кваркови. За да може да се потврдат престојните откритија, придодадена е втора направа, забележувачот DØ (покрај постоечкиот CDF). Во октомври 1992 г. двете групи за првпат го насетиле присуството на врвниот кварк, правејќи судир што ја содржел оваа честичка. Во следните години се собрани повеќе наоди, па на 22 април 1994 г. групата на CDF објавила труд со претпоставените наоди за постоењето на врвен кварк со маса од околу . Во меѓувреме, DØ не наишле на повеќе наоди по опитот во 1992 г. На 2 март 1995 г. се насобрани повеќе податоци и извршено е преиспитување на податоците од DØ (кои впрочем трагале по многу полесен бозон), двете групи заеднички го објавиле откривањето на врвниот кварк со сигурност од 99,9998% при маса од .
Во годините пред откривањето на врвниот кварк, научниците сфатиле дека извесни уточнети мерења на масите на векторските бозони и спојки се мошне чувствителни на вредноста на масата на врвниот кварк. Овие ефекти многукратко се увеличуваат при повисоки маси на врвниот кварк, што дава посреден увид во врвниот кварк, кој инаку не можел лесно да се забележи во ниеден тогашен опит. Најголем ефект од масата на врвниот кварк имало врз T-параметарот, па така до 1994 г. точноста на овие посредни мерења довела до предвидување of масата на врвниот кварк во вредност меѓу и . Развојот на овие постапки подоцна ги овозможил мошне уточнетите пресметки за кои Герард 'т Хофт и Мартинус Велтман ја добиле Нобеловата награда во 1999 г.
2 Својства
* При конечната енергија на Теватрон од 1,96 TeV, создадени се парови од врвен кварк и врвен антикварк со напречен пресек од околу 7 пикобарни (pb). стандардниот модел предвидува (при вдоводечкиот ред со ) 6,7–7,5 pb.
* W-бозоните од распадите на врвниот кварк имаат поларизација од матичната честичка, и затоа претставуваат единствена можност за увид во поларизацијата на врвниот кварк.
* Стандардниот модел предвидува дека врвниот кварк има спинов квантен број од и електричен полнеж од +. Направено е прво мерење на полнежот на врвниот кварк, каде е утврдено со доверба од 90% дека врвниот кварк навистина има полнеж токму од +.
3 Создавање
Бидејќи врвните кваркови се многу масивни, за нивно создавање се потребни големи количества енергија. Единствениот начин да се дојде до толкави енергии е преку високоенергетски судири. Таквите судири природно се јавуваат во горната атмосфера на Земјата, кога космички зраци се судираат со воздушните честички, но можат да се направат и во забрзувач на честички. Со згаснувањето на Теватрон во 2011 г., Големиот хадронски судирач во CERN останал единствениот забрзувач со доволно силни снопови за создавање на врвни кваркови, со тежишна енергија од 7 TeV. Постојат неколку постапки за добивање на врвни кваркови, кои сепак се делат на две категории.
3.1 Парови од врвни кваркови
Најчеста постапка е создавањето на пар од врвен кварк и врвен антикварк преку силни заемодејства. При судирот, се создава високоенергетски глуон, кој потоа се распаѓа на врвен кварк и врвен антикварк. На овој начин се извршени највеќето процеси со врвниот кварк во Теватрон, и ваква постапка довела до откривањето на врвниот кварк во 1995 г. Можно е и добивање на парови од врвен кварк и врвен антикварк преку распад на посреден фотон или Z-бозон, но се смета дека овие процеси се многу поретки, а даваат практично истоветен опитен белег во хадронски судирач како Теватрон.
3.2 Единечни врвни кваркови
Мошне поинаква постапка е добивањето на единечни врвни кваркови преку слабото заемодејство. Ова може да се случи на неколку начини (наречени патеки или канали): или со распад на посреден W-бозон во врвен и длабински антикварк („s-патека“) или со длабински кварк (веројатно создаден во пар при распад на глуон), кој се преобразува во врвен кварк по пат на замена на W-бозонот со горен или долен кварк („t-патека“). Единечен врвен кварк може да се добие и заедно со W-бозон, што бара длабински кварк во првична состојба („tW-патека“). Првите наоди од овие процеси се објавени од соработката DØ во декември 2006 г., а во март 2009 г. CDF и DØ објавиле два труда со меродавни заклучоци од набљудувањето на процесите. Главното значење на мерењето на овие процеси е тоа што нивната честота е правопропорционална на составницата на ККМ-матрицата.
4 Распад
Поради огромната маса, врвниот кварк има многу краток животен век — само . Поради тоа, врвните кваркови немаат време да образуваат хадрони пред да се рааспаднат, како што тоа го прават другите кваркови, што пружа можност за изучување на „гол“ кварк. Единствениот познат начин на распад на врвниот кварк е преку слабото заемодејство кое дава W-бозон и кварк од долен вид (долен, чуден или длабински).
Од особен интерес е тоа што можеме непосредно да го одредиме соодносот на разгранување Γ(W<sup>+</sup>b) / Γ(W<sup>+</sup>''q'' (''q'' = b,s,d)). Засега, најточното сознание за соодносот е дека изнесува 0,91 ± 0,04. Бидејќи овој сооднос е еднаков на согласно стандардниот модел, ова дава друга можност за одредување на ККМ-елементот , или заедно со определбата на од создавањето на еден врвен кварк, дава прилика за испитување на претпоставката дека ККМ-матрицата е целовидна.
Стандардниот модел допушта и поегзотични распади, но само на ниво на јамки, што значи дека се крајно потиснати. Поточно, врвниот кварк е можно да се распадне на друг вид горен кварк (горен или волшебен) оддавајќи фотон или Z-бозон. Потрагата по овие егзотични распадни режими засега не вродила со плод согласно очекувањата на стандардниот модел. Утврдено е дека соодносот на разгранување на овие распади е помал од 5,9 на 1.000 за фотони и помалку од 2,1 на 1.000 за Z-бозони, при доверба од 95%.
5 Маса и спојки со Хигсовиот бозон
Стандардниот модел ги опишува фермионските маси преку Хигсовиот механизам. Хигсовиот бозон има Јукавина спојка со леви и десни врвни кваркови. По нарушувањето на електрослабата симетрија (кога Хигсовиот бозон добива вакуумска очекувана вредност), левата и десната составница се измешуваат, давајќи масен израз.
:<math>\mathcal{L} = y_\text{t} h q u^c \rightarrow \frac{y_\text{t} v}{\sqrt{2( 1 + h^0/v) u u^c</math>
Јукавината спојка на врвниот кварк ја има вредноста
:<math>y_\text{t} = \sqrt{2} m_\text{t}/v \simeq 1</math>
каде 246 GeV е вредноста на Хигсовата вакуумска очекувана вредност.
5.1 Јукавини спојки
Во стандардниот модел, Јукавините спојки на сите кваркови и лептоните се мали во споредба со Јукавината спојка на врвниот кварк. Осознавањето на оваа хиерархија на фермионските маси е еден од проблемите на теориската физика. Јукавините спојки не се постојани, туку нивните вредности се менуваат зависно од енергетскиот размер (растојанието) на кој се мерат. Динамиката на Јукавините спојки се одредува со равенката на ренормализациски групи.
Еден од позастапените мислења во честичната физика е дека величината на Јукавината спојка на врвниот кварк се одредува со ренормализациска група, што води до „квазиинфрацрвена неменлива точка“.
Се претполага дека Јукавините спојки на горните, долните, волшебните, чудните и длабинските кваркови имаат мали вредности при крајно висок енергетски размер во големото обединување — 10<sup>15</sup> GeV. Вредноста им се зголемува во пониски размери, при кои Хигсовиот бозон им ги дава масите на кварковите. Малиот пораст се должи на исправките од квантнохромодинамичката спојка. Исправките од Јукавините спојки се занемарливи за кварковите со помали маси.
Меѓутоа, доколку Јукавината спојка на еден кварк има голема вредност при многу високи енергии, нејзините Јукавини исправки ќе се развијат и поништат со квантнохромодинамичките исправки. Ова се нарекува (квази)инфрацрвена неменлива точка. Без оглед на првобитната појдовна вредност на спојката, доколку е доволно голема, таа ќе ја достигне оваа вредност на точката. Потоа, од тоа се предвидува соодветната маса на кваркот.
Јукавината спојка на врвниот кварк лежи мошне блиску до инфрацрвената неменлива точка во стандардниот модел. Равенката на ренормализациската група гласи:
:<math>\mu \frac{\partial}{\partial\mu} y_\text{t} \approx \frac{y_\text{t{16\pi^2}\left(\frac{9}{2}y_\text{t}^2 - 8 g_3^2- \frac{9}{4}g_2^2 - \frac{17}{20} g_1^2 \right),</math>
каде е баждарната спојка за бојата, баждарна спојка за слабиот изоспин, а е баждарната спојка за слабиот хиперполнеж. Оваа равенка опишува како Јукавината спојка се менува при различен енергетски размер . Решенијата на равенката за големи првични вредности набргу ја доведуваат десната страна блиску до нула, врзувајќи го со кватнохромодинамичката спојка . Вредноста на неменливата точка се одредува прилично точно во стандардниот модел, што води до маса на врвниот кварк од 230 GeV. Меѓутоа, доколку пости повеќе од една Хигсова двојка, масата ќе се намали во вредност од Хигсовиоте ефекти на аголно мешање, на непредвидлив начин.
Во минималното суперсипетрично дополнување на стандардниот модел (МССМ), постојат две Хигсови двојки, а равенката на ренормализациската група за Јукавината спојка на врвниот кварк е малку изменета:
:<math>\mu \frac{\partial}{\partial\mu} y_\text{t} \approx \frac{y_\text{t{16\pi^2}\left(6y_\text{t}^2 +y_\text{b}^2- \frac{16}{3} g_3^2- 3g_2^2 -\frac{13}{15} g_1^2 \right),</math>
каде ''y''<sub>b</sub> е Јукавината спојка на длабинскиот кварк. Ова води до неменлива точка каде масата на врвниот кварк е помала, т.е. 170–200 GeV. Неизвесноста во ова предвидување се јавува поради тоа што Јукавината спојка на длабинскиот кварк во МССМ може да се увеличи. Некои теоретичари го наведуваат ова како доказ во полза на МССМ.
Квазиинфрацрвената неменлива точка подоцна послужила како основа за теориите за врвнокварковиот кондензат при нарушувањето на електрослабата симетрија, каде Хигсовиот бозон е повеќеделен при ''крајно'' мали растојанија, сочинет од парови од врвни кваркови и врвни антикваркови.
6 Поврзано
* Врвност
* Кварков модел