شکل (۱-۵)- واپاشی کوارک تاپ.
واپاشی: با فرض وجود سه نسل کوارک، بسیار نزدیک به یک است در حالیکه بسیار کوچک است. بنابراین مدل استاندارد پیش بینی می کند که کوارک تاپ با یک نسبت شاخه
ای[۱۰] خیلی نزدیک به یک به یک بوزون و یک کوارک واپاشی می کند.
نسبتهای شاخهای واپاشی تاپ به صورت زیر است:
(۱-۱۹)
نسبت شاخهای واپاشی کوارک تاپ به یک جفت کوارک- پادکوارک بزرگتر از واپاشی لپتونی است دارد چون هر کوارک دارای سه رنگ میباشد [۱].
۱-۶-۲ تولید زوج کوارک تاپ از طریق برهمکنشهای قوی
کوارک تاپ در برخوردهای هادرونی به صورت عمده از برهمکنشهای قوی ایجاد می شود. نابودی کوارک – پادکوارک و همجوشی[۱۱] گلوئونها دو زیر - فرایند تولید کوارک تاپ از طریق برهمکنش قوی است. در شکل ۱–۶ دیاگرامهای فاینمن مربوطه آورده شده است.
شکل (۱-۶)- تولید کوارک تاپ در برهمکنشهای قوی به صورت نابودی کوارک و پاد کوارک و همجوشی گلوئونها.
با بهره گرفتن از مدل پارتونی[۱۲] میتوان نشان داد که در تواترون سهم نابودی کوارک و پادکوارک و در ، سهم همجوشی گلوئونها غالب است [۱]. در جدول (۱-۱) برای و با توجه به انرژی باریکه، سهم نسبی زیر - فرآیندهای همجوشی گلوئون در بین و و برای تقریبا است که تقریبا برعکس تواترون میباشد. همچنین در جدول (۱-۲) اندازه گیریهای آزمایشگاهی دقیق از سطح مقطع تاپ جمعآوری شده است [۴].
جدول (۱-۱)- سطح مقطعهای فرآیندهای تولید زوج کوارک تاپ در انرژیهای مرکز جرم متفاوت.
جدول (۱-۲)- از اندازه گیریهای آزمایشگاهی تواترون و در این جدول استفاده شده است. عدم قطعیت آماری، سیستماتیک و درخشندگی برای عدم قطعیت کل در ستون آخر اضافه شده است.
۱-۶-۳ فرایندهای تولید کوارک تاپ منفرد
در مدل استاندارد، تولید کوارک تاپ منفرد از طریق برهمکنش ضعیف رخ میدهد. در برخورددهنده سه فرایند برای تولید کوارک تاپ منفرد وجود دارد. نمودارهای فاینمن متناظر برای تولید کوارک تاپ منفرد در شکل ۱-۷ نشان داده میشوند.
شکل (۱-۷)- فرآیندهای تولید کوارک تاپ منفرد.
کانال- بزرگترین چشمه تولید کوارک تاپ منفرد در است که دارای سطح مقطع قابل مقایسه با سطح مقطع میباشد.
کانال- در حالت اولیه این فرایند شریکهای آیزواسپینی کوارک وجود دارد. در حالت نهایی یک کوارک با انرژی بالا و یک کوارک تاپ تولید میشوند.
کانال- در حالت اولیه این فرایند یک کوارک از دریای کوارکی یک پروتون و یک گلوئون از دریای کوارکی پروتون دیگر میآیند. محصولات این فرایند یک بوزون حقیقی و یک کوارک تاپ هستند.
سطح مقطعهای تولید کوارک تاپ و پادکوارک تاپ در کانال و در برابر نیستند. از آنجایی که یک ماشین برخورد دهنده پروتون – پروتون میباشد و پروتونها دارای کوارک ظرفیت بیشتر از هستند، کوارکهای تاپ از پادکوارکهای تاپ بیشتر تولید میشوند [۱]. سطح مقطعهای فرآیندهای تولید کوارک تاپ منفرد در جدول (۱-۳) داده شده است [۴].
جدول (۱-۳)- سطح مقطعهای فرآیندهای تولید کوارک تاپ منفرد با در با انرژی مرکز جرم و و در تواترون با انرژی مرکز جرم .
۱-۷ نقاط ضعف مدل استاندارد
علی رغم سازگاری خوب مدل استاندارد با داده های آزمایشگاهی و موفقیتهای پدیدهشناسی آن، هنوز چندین سوال بدون جواب وجود دارد که به تعدادی از آنها اشاره در زیر اشاره می شود:
مدل استاندارد قادر به توصیف برهمکنشهای گرانشی نیست.
در مدل استاندارد نوترینوها بدون جرماند. در سال ، شواهدی بر نوسان نوترینوها پیدا کرد که در صورت جرم دار بودن نوترینوها امکان پذیر است.
مطابق شواهد اخترشناسی، ماده تاریک باید شامل ذراتی غیر نسبیتی، خنثی و غیر باریونی و پایدار باشد. ذرهای با مشخصات فوق در مدل استاندارد وجود ندارد، بنابراین یک نظریه که حاوی کاندیدای مناسبی برای ماده تاریک باشد باید جایگزین شود.
مشکل مرتبهبندی، به این معنی که یک شکاف بزرگ بین مقیاسی که اتحاد نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف رخ میدهد و مقیاسی که اثرات گرانش کوانتومی قابل توجه می شود وجود دارد.
مدل استاندارد قادر به توضیح عدم تقارن بین ماده باریونی و پاد باریونی مورد نیاز برای تشکیل کهکشانها و اجزای ستارهای نیست. نظریه های ورای مدل استاندارد مانند برای حل این مشکلات مطرح شده اند.
تعداد زیادی از فیزیکدانها معتقدند که مدل استاندارد یک نظریه موثر در انرژی پایین است که قسمتی از یک نظریه عمومیتر میباشد. تعداد زیادی نظریه ورای مدل استاندارد وجود دارد که
فیزیکدانها مشغول بررسی و تحقیق در مورد آنها هستند، مانند مدل استاندارد ابرتقارنی کمینه و نظریه ابعاد اضافی و غیره [۱و۳].
فصل ۲
اثرات فیزیک جدید در تولید
۲-۱ مقدمه
بدلیل جرم زیاد کوارک تاپ که نزدیک به مقیاس شکست تقارن الکتروضعیف است، کوارک تاپ می تواند به عنوان پنجرهای برای ورود به فیزیک جدید باشد. از آنجایی که کوارک تاپ قبل از هادرونیزاسیون واپاشی می کند، یک آزمایشگاه منحصر به فرد برای آزمایش رفتار کوارک آزاد است. اکثر ویژگیهای کوارک تاپ مانند جرم، بار در تواترون و بر اساس مشاهده تولید زوج کوارک تاپ اندارهگیری شده اند. همچنین یک عدم تقارن پس و پیش[۱۳] بزرگ در تولید از برخوردهای بوسیلهی و در تواترون اندازه گیری شده است. که این عدم تقارن به طور قابل ملاحظهای بزرگتر از پیش بینی مدل استاندارد است. ما در اینجا پس از بیان انگیزه های مطالعه کوارک تاپ، مدلهای فیزیک جدید را که بتوانند این ناهنجاری بزرگ را توضیح دهند مرور میکنیم. این مدلها میتوانند بر طبق اینکه ذرات فیزیک جدید در کانال یا مبادله میشوند دستهبندی شوند. در ادامهاین فصل به طور مختصر راجع به نظریه میدان موثر[۱۴] که بوسیله آن میتوانیم همه اثرات فیزیک جدید در تولید زوج کوارک تاپ را بیان کنیم مورد مطالعه قرار میدهیم و به عنوان مثالی آشنا نظریه موثر فرمی و فرایندهای لپتونی انرژی پایین را مورد بحث قرار خواهیم داد.
۲-۲ انگیزه های مطالعه کوارک تاپ
فرآیندهای تولید کوارک تاپ امکان تحقیق و بررسی بیشتر مدل استاندارد را فراهم می کنند و همچنین شانس مطالعه و مشاهده یک فیزیک جدید محتمل را می دهند. در زیر تعدادی از دلایل و انگیزه های مطالعه کوارک تاپ ذکر میشوند:
سطح مقطعهای فرآیندهای کوارک تاپ با متناسب هستند؛ در واقع فرآیندهای کوارک تاپ تنها راهی هستند که از آنها میتوان به طور مستقیم را اندازه گیری کرد .
مدل استاندارد بر اساس گروه پیمانهای میباشد. یک بسط مدل استاندارد می تواند یک نظریه با تقارن پیمانهای بزرگتر باشد که در انرژیهای پایین به مدل استاندارد تقلیل مییابد. داشتن گروه پیمانهای بزرگتر منجر به داشتن یک بوزون پیمانهای اضافی می شود. اثر وجود هرگونه بوزون پیمانهای جدیدی که بوسیلهی مدلهای جدید پیش بینی شده اند در واقعههای کوارک تاپ ظاهر می شود. بوزون پیمانهای باردار جدید در سطح مقطع کوارک تاپ شرکت می کند و باعث افزایش یا کاهش در سطح مقطع خواهد شد.
کوارک تاپ قبل از فرایند هارونیزاسیون واپاشی می کند. بنابراین اطلاعات اسپین تاپ به محصولات واپاشی آن منتقل می شود. فرآیندهای تولید کوارک تاپ امکان مطالعه قطبش یک کوارک را فراهم می کنند.
در مدل استاندارد فقط سه نسل کوارک وجود دارد. اگر این فرض را لغو کنیم و اجازه دهیم که یک نسل چهارم کوارک داشته باشیم، ماتریس باید به یک ماتریس تعمیم داده شود و این می تواند باعث انحراف قابل توجه از واحد شود. از آنجاییکه سطح مقطعهای تولید فرایند کوارک تاپ با متناسب هستند، همه فرآیندها به طور قابل توجهی سطح مقطعهای کمتری نسبت به پیش بینی مدل استاندارد خواهند داشت.
امکان واپاشی برخی ذرات جدید پیشنهادی به کوارک تاپ مانند، و نسل سوم کوارکهای ابرتقارنی وجود خواهد داشت.
خود کوارک تاپ می تواند به ذرات جدید واپاشی کند مثل ذره هیگز در مدلهای فرااستاندارد [۱].
۲-۳ عدم تقارن پس و پیش
پیش بینی مدل استاندارد در مور د تولید زوج کوارک تاپ در برخورددهنده هادرونی بجز در عدم تقارن پس و پیش با تجربه سازگار است. بزرگی این عدم تقارن به وسیله رابطه زیر نشان داده می شود:
(۲-۱)
که در آن زاویه بین کوارک تاپ و پروتون ورودی در دستگاه مرکز جرم، و تعداد اندازه گیریها است.
مدل استاندارد را برابر پیش بینی می کند و آخرین اندازه گیری که توسط برای انجام شده است برابر میباشد و این مقدار با افزایش جرم ناوردای زیاد می شود و برای جرم بیشتر از ، برابر است. نیز این مطلب را تایید می کند و اندارهگیری شده توسط این آشکارساز برابر گزارش شده است اما این آشکارساز افزایش عدم تقارن با افزایش جرم را مشاهده نکرده است. همچنین افزایش در عدم تقارن را در کانالی که و به صورت نیمه لپتونی واپاشی می کنند و یک افزایش دیگر با توجه به افزایش (اختلاف ) را مشاهده کرده است. اما در محاسبات جدید مدل استاندارد عدم تقارن بزرگتری به دست آوردند و در نتیجه اختلاف با اندازه گیریهای آزمایشگاهی کمتر شده است [۵]. ما این نتایج را در جدول (۲-۱) جمعآوری کردهایم [۶]. این عدم تقارن که ناشی از عدم تقارن بار در تولید در است می تواند این مسئله را روشن کند که آیا در تولید فیزیک جدیدی نقش دارد یا نه و اگر نقش دارد این فیزیک جدید دارای چه ساختاری است.
۲-۳-۱ مدلهای ساده برای عدم تقارن
در اینجا مدلهایی را برای عدم بیان عدم تقارن معرفی میکنیم. اما نکتهای که باید به آن توجه کنیم این است که توضیح فیزیک جدیدی که با اندازه گیریهای با آن روبرو شدیم یک محدودیت مهم را بوجود میآورد و آن این است که سطح مقطع کل در تواترون، است که توافق خوبی با پیش بینی مدل استاندارد است، برای مثال و . (این همخوانی حتی در سطح مقطع دیفرانسیلی هم وجود دارد). بنابراین مدلها ضمن داشتن عدم تقارن بزرگ باید سازگاری خود را با سطح مقطع کل تواترون حفظ کنند. برای رسیدن به این هدف باید یکی از دو شرط زیر را رعایت کنند:
جفت شدگی غیرعادی کوارک تاپ و تولید کوارک تاپ – پاد کوارک تاپ- قسمت ۴
