Наука и образование

Распады t-кварка помогли исследовать свойства адронных струй

В начале июня эксперимент CMS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил экспериментальную работу, посвящённую исследованию адронных струй, порожденных b-кварками. Используя распады t-кварка, экспериментаторам удалось в четыре раза точнее определить параметр, описывающий форму адронной струи.

Для физики высоких энергий типична следующая последовательность исследования феноменов природы. На первом этапе экспериментаторы пытаются выделить их слабые проявления на фоне других процессов. По мере совершенствования техники и увеличения набранной статистики сам феномен становится инструментом, при помощи которого исследуются уже другие процессы. И, наконец, эксперименты вступают в такую стадию, когда феномен сам становится фоном для изучения других, более редких процессов,  а все силы экспериментатора направлены на борьбу с ним. Самый тяжелый из кварков (t) долгое время был и остается по сей день объектом пристального внимания. Однако, в последнее время всё чаще появляются работы, где процессы рождения и распадов этой частицы используются лишь как инструмент для получения новых сведениях о других частицах и явлениях Стандартной Модели (СМ). Ярким примером является новая экспериментальная работа CMS, в которой распады t-кварков использовались для уточнения параметров адронных струй.

Процесс адронизации (его еще называют фрагментацией) заключается в том, что кварк, антикварк или глюон, испытавшие жесткое взаимодействие, превращаются в узкий пучок адронов -адронную струю, которая регистрируется детектором. К сожалению, современная теория не может в деталях описать процесс фрагментации и на практике используется описание, опирающееся на экспериментальные данные. То есть фиксируется некоторая (модельная) зависимость, параметры которой подбираются из измерений. Следует отметить, что массивные кварки (c и b) адронизуются иначе, чем лёгкие (u, d и s). (Заметим, что t-кварки не адронизуются, а распадаются в слабых взаимодействиях вследствие своей сверхтяжелой массы.) Распределение f(z), описывающее то, какую долю импульса кварка несет адрон, в который этот кварк превратился (z), зависит от массы кварка (m_q) и, в первом приближении,  от еще одного параметра (r_q), определяемого ароматом кварка. Остальные параметры f(z) являются общими для всех ароматов. Для прелестного (b) кварка параметр r_b определялся из данных, полученных на электрон-позитронных коллайдерах по распаду Z⁰-бозона на пару b – анти-b. В отличие от кварков и глюонов, образующих протон, электроны и позитроны не несут заряда сильного взаимодействия (цвета), поэтому априори не было известно, меняется ли функция фрагментации в условиях БАК, где взаимодействуют протоны высоких энергий. Это, а также уточнение величины r_b являлось основной целью новой работы эксперимента CMS.

В работе использовались события с парами t – анти-t, для отбора которых использовались слабые распады типа t → Wb. Среди всех b-струй исследователи искали те, в которых прелестный адрон распадался с испусканием мезонов D⁰ и J/ψ. Первые регистрировались по распадам D⁰ →K⁻π⁺, а вторые – по распадам на пары мюон-антимюон. Распределение для отношения поперечного импульса D⁰ (или J/ψ) к суммарному поперечному импульсу заряженных частиц в струе оказывается чувствительно к величине r_b, которая подбиралась из лучшего согласия с экспериментальным спектром (см. рисунок 1).

Лучше всего данные описываются при r_b = 0,858 ± 0,048. Достигнутая точность в четыре раза лучше точности предыдущих измерений. Это хорошо заметно на рисунке 2, где сравниваются f(z), построенные для старого и нового наборов параметров. Такая схожесть распределений является сильным указанием на универсальность параметров b-струй – независимость от типа взаимодействующих частиц.

Подробнее об этом исследовании можно узнать из документа, описывающего исследование, а также из заметки на сайте коллаборации. Результаты пока носят предварительный характер и будут в скором времени опубликованы. В заключение следует отметить, что сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента CMS.