Ukončený experiment
| CDF Štúdium vysokoenergetických zrážok protónov s antiprotónmi na urýchľovači Tevatron pri energii 1,8 a 1,96 TeV | ||
| Urýchľovač Naberanie dát: Účasť oddelenia v experimente: | Tevatron Fermilab 1992-2011 od roku 1993 | |
 |
Hlavný výsledok experimentu: Najväčším objavom CDF kolaborácie bol objav top kvarku v roku 1995. Ďalšie experimentálne úsilie sa sústredilo na presnejšie určenie hmotnosti top kvarku, ktoré je potrebné k upresneniu oblasti, v ktorej sa má nachádzať hmotnosť Higgsovej častice. CDF experiment bol okrem fyziky top kvarku zameraný aj na fyziku b kvarkov, W a Z bozónov, fyziku elektroslabých interakcií, hľadanie Higgsovej častice a prejavov exotických supersymetrických častíc. Viac o experimente CDF | |
Príspevok košickej skupiny:
| ||
- Hmotnosť top kvarku
- Účinný prierez
- Náboj top kvarku
- Asymetria v produkcii top kvarku
- Spin top kvarku
- Higgsov bozón
Hmotnosť top kvarku
|
Top kvark je určite najfascinujúcejšou časticou, pretože je to najťažšia elementárna častica Štandardného modelu. Základným parametrom Štandardného modelu, ktorý musí byť experimentálne zmeraný, je práve hmotnosť top kvarku. Tento parameter je zaujímavý z dôvodu obrovskej hodnoty hmotnosti top kvarku oproti ostatným kvarkom a aj kvôli tomu, že od tejto hodnoty sa odvíja hmotnosť Higgsovho bozónu. Korelácia medzi týmito dvoma časticami nás nabáda k čo najpresnejšiemu zmeraniu hmotnosti top kvarku.
Najbežnejšie metódy riešia problém tak, že hmotnosť top kvarku určujú pomocou fitovania rozdelení a sledujú, ktorý fit hmotnosti najlepšie súhlasí s dátami. Nový prístup fyzikov z experimentu CDF zahŕňa dodatočnú informáciu, že čím je hmotnosť top kvarku nižšia, tým viac top kvarkov sa dokáže vyprodukovať v interakcii. Preto, samotný počet kandidátov na top kvark nám poskytuje ohraničenie na hmotnosť top kvarku. Ale tu to nekončí. Aby to fyzici lepšie pochopili, pozerali sa aj na jeden z najťažších rozpadových kanálov, ktorý má v koncovom stave neutrína. Neutrína preletia cez detektor bez toho, aby boli zaregistrované a v takomto rozpade top kvarku zanechajú "signál" v podobe veľkého množstva chýbajúcej informácie. |
|
|
Na urýchľovači Tevatrón sú top kvarky primárne produkované v pároch a rozpadajú sa na W bozón a b kvark. Tzv. dileptónový kanál zahŕňa prípady, kedy sa obidva W bozóny rozpadli na leptóny. Tento kanál má síce nízku štatistiku, ale aj slabé pozadie. Meranie hmotnosti v tomto kanáli poskytuje priame potvrdenie, že získané eventy sú prípadmi top kvarkov zo Štandardného modelu. Výrazný nesúlad v porovnaní s inými kanálmi môže naznačovať príspevok od nových zdrojov. |
|
| Pracovníci Oddelenia subjadrovej fyziky (Jaroslav Antoš a Roman Lysák), ktorí participujú na experimente CDF, navrhli metódu na presné zmeranie hmotnosti top kvarku v dileptónovom kanáli. Rekonštrukcia hmotnosti top kvarku v týchto prípadoch predstavuje zložitý problém, pretože veľká časť informácie o kinematike rozpadu sa stratila vďaka dvom nezaregistrovaným neutrínam pochádzajúcim z rozpadu W bozónu. Hodnoty pre stratenú informáciu sa získavajú z rozdelení nasimulovaných Monte Carlo prípadov a použijú sa na výpočet najpravdepodobnejšej hmotnosti top kvarku pre každý event. |
|
|
Viac o metóde na: Top Mass Measurement in Dilepton Channel using Pzttbar (Kinematic Method) |
|
Naspäť hore
Meranie hmotnosti top kvarku pomocou účinného prierezu
|
Ďalšiu novú metódu na zmeranie hmotnosti top kvarku vyvinuli Jaroslav Antoš a Roman Lysák za použitia ohraničenia účinným prierezom.
Teória predpovedá vzťah medzi zmeranou hmotnosťou a účinným prierezom. Hmotnosť top kvarku je v súlade so všetkými ďalšími meraniami z experimentu CDF, ale táto technika je významnejšia, pretože poskytuje presnejšie meranie, ako tradičný prístup využívajúci samotnú fitovaciu procedúru. |
|
|
Viac o metóde na: Cross-section Dependent Top Mass Measurement in Dilepton Channel using Pzttbar (Kinematic Method) |
|
Naspäť hore
Náboj top kvarku
|
Od objavu top kvarku boli v experimente CDF zmerané niektoré jeho vlastnosti, aby si fyzici overili, či tento top kvark skutočne odpovedá predpovedi Štandardného modelu. Meranie jeho elektrického náboja tiež poskytuje odpoveď na túto otázku.
Podľa Štandardného modelu by mal mať top kvark náboj +2/3 a mal by sa rozpadať na bozón W+ (s nábojom +1) a na b kvark (s nábojom -1/3). Zatiaľ čo anti-top kvark by sa mal rozpadať na W- (s nábojom -1) a anti-b kvark (s nábojom +1/3). Náboj bozónu W možno získať z náboja elektrónu alebo miónu, na ktorý sa rozpadá, ale ako rozlišovať medzi b kvarkom a anti-b kvarkom? |
|
|
Tím fyzikov z experimentu CDF, medzi nimi aj Jaroslav Antoš, zodpovedali túto otázku pomocou sumovania náboja všetkých dráh vnútri b jetu. Ak súčet vyšiel kladný, priradili tento jet anti-b kvarku, a ak vyšiel záporný, tak ho priradili b kvarku. Odhad je, že pri použití tohto algoritmu bolo 60% prípadov správne priradených.
Fyzici na CDF zistili silnú podporu pre hypotézu, že top kvark zodpovedá častici zo Štandardného modelu. |
|
|
Viac o metóde na: Measuring the sign of the top charge using the top decay products |
|
Naspäť hore
Asymetria v produkcii top kvarku
|
Symetrie boli dlhý čas podstatnou časťou charakterizujúcou fyzikálne zákony. Aj keď niektoré z najkrajších teórií preukazujú symetrické vlastnosti, predsa len skúmanie slabých jadrový reakcií v šesťdesiatych rokoch minulého storočia viedlo k objavu narušenia parity a k hlbšiemu pochopeniu elektromagnetizmu a slabej interakcie.
Súčasné teórie predpovedajú, že silná interakcia, ktorá drží kvarky spolu pokope, by mala preukazovať len symetrické vlastnosti. CDF experiment testoval symetrie silnej interakcie pomocou skúmania prípadov s top kvarkom produkovaným v urýchľovači Tevatron. Na urýchľovači Tevatron sú top kvarky prednostne produkované cez silné interakcie. Sú to najťažšie známe častice a majú vlastnosti, ktoré podľa niektorých teórií súvisia s narušením elektroslabej symetrie a Higgsovým bozónom. Tevatron je veľmi vhodný experiment na študovanie symetrie v produkcii top kvarkov. Keďže zráža protóny s antiprotónmi, tak je zrážka asymetrická. |
|
|
Predchádzajúci výskum na experimente CDF objavil väčšiu asymetriu než sa očakáva zo Štandardného modelu, čo by mohlo naznačovať prítomnosť novej častice zrejme mimo dosahu zrážkovej energie Tevatronu.
Skupina fyzikov z CDF vyvinula metódu na rekonštrukciu top anti-top prípadov v dileptónovom kanáli a aplikovala ju na zmeranie predo-zadnej asymetrie v produkcii top kvarku v protón-antiprotónových zrážkach pri energii √s = 1,96 TeV. Toto meranie je testom nábojovej asymetrie v silných interakciách pri veľkom prenose hybnosti. V prezentovanej práci bolo zmerané, že predo-zadná asymetria je: Afb = 42 +/- 16 percent, čo je 2,6 sigma od nuly a 2,3 sigma od predpovede Štandardného modelu. Tento prekvapujúci výsledok naznačuje oveľa väčšiu asymetriu v produkcii top kvarku, než sa očakávalo. |
|
|
Viac na: Measurement of the Forward Backward Asymmetry in Top Pair Production in the Dilepton Decay Channel using 5.1 fb-1 |
|
Naspäť hore
Spin top kvarku
|
Podľa Štandardného modelu sa top kvark veľmi rýchlo rozpadá za približne 5×10−25s. Krátka doba života mu bráni v hadronizácii, preto sa vlastnosti top kvarku transformujú priamo na jeho rozpadové produkty bez zmeny. Štandardný model má špecifickú predpoveď pre polarizáciu W bozónu v prípade rozpadu top kvarku na W bozón a b-kvark.
Top kvark sa takmer okamžite rozpadá na W bozón a b-kvark. Takže v top anti-top eventoch sa produkujú dva bozóny W, každý z daného kvarku. W bozón sa určuje podľa jeho následného rozpadu na elektrón, alebo mión a na neutríno. Tieto relatívne vzácne rozpady top a anti-top kvarkov na mióny alebo elektróny, dve neutrína a dva b-kvarky, známe ako dileptónové eventy, sa dajú zrekonštruovať. |
|
|
Zo zrekonštruovaného prípadu vieme určiť rotačný stav (spin) bozónu W , ktorý sa môže nachádzať v troch stavoch. Je to pravotočivý, keď je smer pohybu W bozónu a smer jeho spinu rovnaký; ľavotočivý, keď je smer pohybu W bozónu a smer jeho spinu opačný; a pozdĺžny, keď je smer pohybu W bozónu a smer jeho spinu navzájom kolmý. Čiastkové pravdepodobnosti týchto troch stavov spinu musia dávať dohromady jedničku. Každý konkrétny W bozón sa môže nachádzať len v jednom stave.
To, čo sa v podstate meria, je uhol medzi smerom hybnosti leptónu a smerom hybnosti top kvarku v pokojovej sústave W bozónu. |
|
| V dátach z experimentu CDF našiel tím fyzikov (Jaroslav Antoš a Roman Lysák), že v pozdĺžnom rotačnom stave sa W bozón objavuje s pravdepodobnosťou 71 +18/-17%. Pravotočivý stav má -7 ± 9%. Ďalej bolo zistené, že s 95% istotou má pravotočivý stav pravdepodobnosť menej než 7%. Toto je vo veľmi dobrej zhode s predpoveďou Štandardného modelu, 69.8% pre pozdĺžny rotačný stav a takmer nula pre pravotočivý stav. |
|
|
Viac na: Combination of the W boson polarization measurements from top quark decay using dilepton events with 5.1 fb−1 |
|
Naspäť hore
Higgsov bozón
|
Higgsov bozón by nám mal pomôcť vysvetliť, ako častice získavajú hmotnosť. Rozpadá sa hlavne na dva W bozóny. W bozón je jednou z dvoch subatomárnych častíc, ktoré prenášajú slabú interakciu. Tou druhou časticou je Z bozón. Produkcia dvoch W bozónov je významným procesom Štandardného modelu, ktorému treba porozumieť. Ale koncový stav s dvoma W bozómni je tiež zaujímavý kvôli časticiam, na ktoré sa ďalej rozpadajú.
Aby sa mohol nájsť náznak signálu pre Higgsov bozón rozpadajúci sa na dva W bozóny, musia najprv fyzici veľmi presne vedieť, ako často sa dva W bozóny produkujú priamo z ostatných procesov. Vedci z experimentu CDF si urobili prestávku v hľadaní Higgsovho bozónu, aby skúmali to, čo považujú za pozadie - produkciu dvoch bozónov, ktoré nepochádzajú z rozpadu Higgsovho bozónu. Počas toho vytvorili najlepšie meranie na svete, ako často sa tieto dva W bozóny produkujú v protón-antiprotónových zrážkach. |
|
|
Pomocou selekcie z tých istých dát a aplikovania tých istých vylepšených analyzačných nástrojov používaných pri hľadaní Higgsovho bozónu, hladali vedci z CDF experimentu (Roman Lysák) WW eventy, kde sa každý bozón W rozpadol na leptón (elektrón alebo mión) a na neutríno. Skutočné prípady s dvoma W bozónmi oddeľovali od pozadia pomocou zmeranej informácie o leptónoch a chýbajúcej energii, vzniknutej pri nezaregistrovaní neutrín počas ich preletu detektorom.
Meranie produkcie dvoch W bozónov veľmi dobre súhlasí s teoretickými predpoveďami. Týmto novým, oveľa presnejším, meraním WW produkcie dokázali vedci z CDF experimentu, že tomu rozumejú a vedia veľmi dobre predpovedať najväčšie pozadie pri hľadaní Higgsa rozpadajúceho sa na dva W bozóny. Tento výsledok zároveň potvrdzuje, že vylepšené analyzačné nástroje používané pri hľadaní Higgsovho bozónu fungujú správne, keď ich fyzici aplikujú na známy proces. |
|
|
Viac na: Measurement of the WW Production Cross Section at CDF Using 3.6 fb−1 of Data |
|
|
Ak Higgsov bozón existuje, potom sme presvedčení, že jeho hmotnosť nemá hodnoty medzi 158-172 GeV. Vedci z experimentu CDF (Roman Lysák) k tomuto výsledku dospeli pomocou izolovania súboru prípadov, ktoré sa podobajú na tie, u ktorých očakávame, že pochádzajú od Higgsovho bozónu. Aby to urobili, tak nasimulovali eventy, ktoré by pochádzali aj z potenciálnych Higgsových signálov, aj z každého procesu pozadia, ktorý môže prispievať do reálnej výskumnej vzorky.
Diagram zobrazuje H→WW citlivosť na Higgsov bozón zo Štandardného modelu na experimente CDF. Plná čiara predstavuje maximálne množstvo produkcie Higgsových bozónov, ktoré môže byť ukryté v dátach. Čiarkovaná čiara je očakávaná citlivosť, pokiaľ nie je žiadna produkcia Higgsovho bozónu. Pokiaľ je citlivosť menšia ako jedna, znamená to, že analýza je citlivá na Higgsov bozón. |
|
|
Viac na: http://theory.fnal.gov/jetp/talks/FNAL_HWW_WineAndCheese.pdf |
|
Naspäť hore