Исследователи рассчитали новое измерение критической характеристики — массы — топ-кварка.Кварки составляют протоны и нейтроны, составляющие почти всю видимую материю. Физики знали, что масса топ-кварка велика, но столкнулись с большими трудностями, пытаясь точно определить ее.По словам Роберта Кехо, профессора факультета физики СМУ, недавно рассчитанное измерение верхнего кварка поможет физикам сформулировать новые теории.
Кехо возглавляет группу SMU, которая проводила измерения.В конечном итоге масса топ-кварка имеет значение, потому что частица является высокочувствительным зондом и ключевым инструментом для оценки конкурирующих теорий о природе материи и судьбе Вселенной.Физики в течение двух десятилетий работали над улучшением измерения массы топ-кварка и сужением ее значения.
«Топ» несет на себе новейшую фундаментальную частицу — бозон Хиггса.Новое значение от SMU подтверждает достоверность недавних измерений других физиков, сказал Кехо.Но это также добавляет растущую неопределенность в отношении аспектов Стандартной модели физики.
Стандартная модель — это набор теорий, которые физики разработали и постоянно пересматривают, чтобы объяснить Вселенную и то, как мельчайшие строительные блоки нашей Вселенной взаимодействуют друг с другом. Проблемы со Стандартной моделью еще предстоит решить.
Например, гравитация еще не была успешно интегрирована в фреймворк.Стандартная модель утверждает, что топ-кварк, известный как «верх», является центральным в двух из четырех фундаментальных сил в нашей Вселенной — электрослабой силе, благодаря которой частицы набирают массу, и сильной силе, которая определяет, как кварки взаимодействуют. Электрослабая сила управляет обычными явлениями, такими как свет, электричество и магнетизм.
Сильное взаимодействие управляет атомными ядрами и их структурой, помимо частиц, которые составляют кварки, таких как протоны и нейтроны в ядре.Вершина играет роль с новейшей фундаментальной частицей в физике, бозоном Хиггса, в проверке того, выдерживает ли электрослабая теория.
Некоторые ученые считают, что топ-кварк может быть особенным, потому что его масса может подтвердить или опровергнуть теорию электрослабого взаимодействия. В случае опасности это открывает дверь к тому, что физики называют «новой физикой» — теориям о частицах и нашей Вселенной, которые выходят за рамки Стандартной модели.Другие ученые предполагают, что верхний кварк также может быть ключом к объединению электромагнитного и слабого взаимодействий протонов, нейтронов и кварков.Кроме того, как единственный кварк, который можно наблюдать напрямую, топ-кварк проверяет теорию сильного взаимодействия Стандартной модели.
«Таким образом, верхний кварк действительно поддерживает обе теории», — сказал Кехо. «Верхняя масса особенно интересна, потому что ее измерение приближается к точке, где мы выходим даже за пределы уровня, понятного теоретикам».Он добавил: «Наши экспериментальные ошибки или неточности настолько малы, что это действительно заставляет теоретиков изо всех сил пытаться понять влияние массы кварка. Нам нужно наблюдать, как Хиггс напрямую взаимодействует с волчком, и нам нужно измерить обе частицы. точнее."Новые результаты измерений были представлены в августе и сентябре на Третьей ежегодной конференции по физике больших адронных коллайдеров, Санкт-Петербург, Россия, и на 8-м международном семинаре по физике топ-кварков, Искья, Италия.
«Общественное мнение об открытии Хиггса:« Хорошо, дело сделано », — сказал Кехо. «Но это еще не сделано. На самом деле это только начало, и топ-кварк — ключевой инструмент для выяснения недостающих частей головоломки».
Результаты были обнародованы DZero, совместным экспериментом более 500 физиков со всего мира. Измерение описано в разделе «Точное измерение массы топ-кварка в распадах дилептона с оптимизированным взвешиванием нейтрино» и доступно на сайте arxiv.org/abs/1508.03322.
Измерение SMU обеспечивает удивительный уровень точностиЧтобы сузить измерение топ-кварка, докторский исследователь SMU Хуаньчжао Лю использовал стандартную методологию измерения топ-кварка и улучшил точность некоторых параметров. Он также улучшил калибровку анализа данных топ-кварков.«Лю достиг удивительного уровня точности», — сказал Кехо. «И его новый метод оптимизации анализа также применим к анализу других данных о частицах, помимо топ-кварка, что делает эту методологию полезной в области физики элементарных частиц в целом».
Оптимизация SMU может быть использована для более точного понимания бозона Хиггса, который объясняет, почему материя имеет массу, сказал Лю.Впервые Хиггс наблюдался в 2012 году, и физики очень хотят понять его природу.
«Эта методология имеет свои преимущества, в том числе понимание взаимодействия Хиггса с другими частицами, и мы надеемся, что другие воспользуются ею», — сказал Лю. «С его помощью мы достигли 20-процентного улучшения в измерениях. Вот как я сам об этом думаю — всем нравится iPhone за 199 долларов с контрактом. Если когда-нибудь Apple скажет нам, что они снизят цену на 20 процентов, что мы все почувствуем? получить более низкую цену? "По словам Кехо, еще одна оптимизация, примененная Лю, повысила точность калибровки в четыре раза.
Ливень топовых кварков после Большого взрываТоп-кварки, которые сейчас встречаются редко, были гораздо более распространены сразу после Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад.
Однако вершина — единственный кварк шести различных типов, который можно наблюдать напрямую. По этой причине физики-экспериментаторы сосредотачиваются на характеристиках топ-кварков, чтобы лучше понять кварки в повседневной материи.Чтобы изучить вершину, физики генерируют их в ускорителях частиц, таких как Тэватрон, мощный ускоритель частиц Министерства энергетики США, управляемый Национальной лабораторией Ферми в Иллинойсе, или Большой адронный коллайдер в Швейцарии, проект Европейской организации ядерных исследований. , ЦЕРН.Измерения SMU основаны на данных, собранных DZero и полученных в результате столкновений протонов с антипротонами на Тэватроне, который Фермилаб закрыл в 2011 году.
Новое измерение является наиболее точным в своем роде на Тэватроне и не уступает сопоставимым измерениям на Большом адронном коллайдере. Масса топ-кварка была точно измерена совсем недавно, но есть некоторые расхождения в измерениях. Результат SMU более благоприятствует текущему среднему мировому значению, чем текущему измерению рекордсмена мира, также полученному от Fermilab.
По словам Кехо, очевидное несоответствие необходимо устранить.Критический вопрос: Вселенная не обязательно стабильна при всех энергиях«Возможность точно измерить массу топ-кварка — случайность, потому что вместе с массой бозона Хиггса она говорит нам, стабильна Вселенная или нет», — сказал Кехо. «Это стало одним из самых важных вопросов сегодняшнего дня».Стабильная Вселенная находится в состоянии с низкой энергией, когда частицы и силы взаимодействуют и ведут себя в соответствии с предсказаниями теории вечно.
Это контрастирует с метастабильным или нестабильным, означающим более высокое энергетическое состояние, в котором вещи в конечном итоге меняются или изменяются внезапно и непредсказуемо, и это может привести к коллапсу Вселенной. По словам Кехо, хиггс и топ-кварк — два наиболее важных параметра для определения ответа на этот вопрос.Недавние измерения Хиггса и топ-кварка показывают, что они описывают вселенную, которая не обязательно стабильна при всех энергиях.
«Нам нужна теория — стандартная модель или другая — которая может предсказывать физические процессы при всех энергиях», — сказал Кехо. «Но измерения сейчас таковы, что похоже, что мы находимся за границей стабильной Вселенной. Мы метастабильны, то есть есть серая область, которая стабильна в некоторых энергиях, но не в других».Мы сталкиваемся с неминуемой гибелью?
Вселенная рухнет?Это несоответствие между теорией и наблюдениями указывает на то, что теорию Стандартной модели опередили новые измерения Хиггса и топ-кварка.«Теоретикам придется потрудиться, чтобы объяснить это», — сказал Кехо, добавив, что это вызов, который нравится физикам, о чем свидетельствует их увлеченность «новой физикой» и возможностями, которые создают Хиггс и Топ-кварк.
«Недавно я посетил две конференции, — сказал Кехо, — и есть споры о том, что именно это означает, так что это может быть интересно».Так у нас проблемы?«Не сразу, — сказал Кехо. «Энергии, при которых возникает метастабильность, настолько высоки, что взаимодействия частиц в нашей Вселенной почти никогда не достигают этого уровня. В любом случае метастабильная Вселенная, скорее всего, не изменится в течение многих миллиардов лет».
Топ-кварк — окно в другие кваркиКак единственный кварк, который можно наблюдать, верхний кварк на мгновение появляется и исчезает в протонах, что дает физикам возможность напрямую проверить и определить его свойства.
«Для меня это похоже на фейерверк», — сказал Лю. «Они стреляют в небо и взрываются на более мелкие частицы, а эти более мелкие части продолжают взрываться. Это своего рода описывает, как верхний кварк распадается на другие частицы».Лю объяснил, что, измеряя частицы, на которые распадается верхний кварк, ученые фиксируют меру верхнего кварка.
Но, по словам Кехо, изучение верхушки все еще остается экзотической областью. «В течение многих лет с топ-кварками обращались как с конструкцией, а не как с реальной вещью. Теперь они реальны и все еще довольно новы — и очень важно, чтобы мы полностью понимали их свойства».