大型ハドロン衝突型加速器は、核衝突でトップクォークの痕跡を見てきました

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大型ハドロン衝突型加速器は、核衝突でトップクォークの痕跡を見てきました
大型ハドロン衝突型加速器は、核衝突でトップクォークの痕跡を見てきました
Anonim
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CMS実験では、大型ハドロン衝突型加速器での超相対論的鉛核の衝突におけるトップクォーク生成の痕跡が4σの統計精度で見られました。以前は、この最も重い素粒子の誕生は、陽子-陽子および陽子-核衝突でのみ観察されました。核-核衝突で生成されたトップクォークは、物理学者がクォーク-グルーオンプラズマの進化を経時的に観察し、その特性をよりよく研究するのに役立つと期待されています。結果は記事のプレプリントで報告され、最近、ジャーナルPhysical ReviewLettersでの公開が承認されました。

トップクォークは第3世代のクォークであり、6つのクォークの中で最も重いものであり、原理的には最も重い既知の素粒子でもあります。それは25年前にフェルミラボのテバトロンで陽子-反陽子対の衝突で最初に発見され、そこでその主な特性が後に研究されました。標準模型の予測によると、トップクォークの寿命はわずか5×10-25秒であり、これは特徴的な強い相互作用時間よりも1桁短い。この特徴のおかげで、それは(他のすべてのクォークとは異なり)ハドロン化されておらず、それが形成される物質を研究するための理想的な粒子になっています。

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標準模型内の粒子の質量分布。青-レプトン、黄色-クォーク、緑-ボソン。

大型ハドロン衝突型加速器では、陽子-陽子衝突と陽子-原子核衝突でトップクォークがすでに見られますが、この粒子は、原子核-原子核衝突の物理学者にとって特に興味深いものです。クォークグルーオンプラズマが研究されているのはそれらの中で、クォークとグルーオンが通常のプラズマの電子やイオンのように閉じ込めのない準粒子のように振る舞う、強く相互作用する物質の状態です。宇宙はビッグバン後のマイクロ秒までの時間スケールで完全にクォークグルーオンプラズマで構成されていると想定されているため、物理学者はこの物質の状態が時間とともにどのように変化するかを理解することが特に重要です。

クォークグルーオンプラズマを研究するための多くの方法がすでにあり、その最小の「液滴」は衝突型加速器での超相対論的核の衝突で生成されます。たとえば、クォークとグルーオンのハドロン化中に生成された粒子のジェットである、それを通過するジェットのエネルギーの減少によって観察されます。また、クォークグルーオンプラズマはクォークグルーオンの生成を抑制することで観測できますが、どちらの方法でも、発生する過程の時間はクォークの寿命に匹敵するため、長期間平均した特性しか得られません。 -グルーオンプラズマ。また、トップクォークの寿命は非常に短いため、崩壊生成物とクォークグルーオンプラズマの存在のさまざまな瞬間との相互作用に基づいて、時間の経過に伴う進化のより完全な図を作成することができます。 。このような方法の可能性は、CERNの科学者の1人による理論的研究で以前に報告されました。

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時間スケールを考慮した、トップクォーク崩壊生成物との相互作用によるクォークグルーオンプラズマの進化を観察する可能性の概略図。

これがCMS実験の結果を特に重要なものにしている。その枠組みの中で、核子-核子対あたり5.02テラエレクトロンボルトのエネルギーでの超相対論的鉛核の衝突において、物理学者はトップクォークの生成の痕跡を見た。生成断面積は2つの方法で検討されました。最初の方法では、科学者は最終状態で反対の電荷のレプトンのペア(電子とミューオン)のみを観察し、2番目の方法では、素敵なクォークの存在も考慮に入れました。ハドロン化によるジェットの崩壊。最初のケースでは、得られた断面積は2.5±0.8マイクロバーンであり、2番目のケースでは-2.0±0.7マイクロバーンでした。これは、量子色力学の予測と陽子-陽子衝突の実験結果に匹敵します。

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トップクォークとトップクォークのペア(赤い塗りつぶし)およびその他のバックグラウンドプロセスの生成から実験的に取得され(黒い点)、登録されたイベントの数を想定しました。

蓄積されたデータは、核-核衝突におけるトップクォークの観測を確認するために必要な5σの統計精度にまだ達していないことに注意することが重要です。これまでのところ、科学者は4σの統計を収集することができました。それにもかかわらず、得られた結果が統計的変動のみである確率は0.003%を超えず、CMSは、この結果をトップクォークを検出するための検出器の機能の説得力のあるデモンストレーションと見なしています。物理学者はまた、原子核-原子核衝突におけるこの粒子の生成に関するデータが、その助けを借りてクォークグルーオンプラズマを研究するために使用されると確信しています。

重い原子核は通常、クォークグルーオンプラズマを生成するために使用されますが、陽子-陽子衝突でも生成される可能性があります。これは、ALICE実験でストレンジクォークを持つ粒子が過剰であることによって示されました。大型ハドロン衝突型加速器のその他の最近の結果については、「衝突型加速器の第2シーズン」というトピックで報告します。

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