Фізики з CMS уточнили масу топ-кварка

Фізики з колаборації CMS повідомили про повторну обробку частини даних про народження топ-кваркових пар, зібраних за другий сезон роботи Великого адронного колайдера. За допомогою вдосконаленого аналізу їм вдалося уточнити значення маси топ-кварка, яке виявилося рівним 171,77 0,38 гігаелектронвольт, що узгоджується зі Стандартною моделлю. З результатами роботи можна ознайомитися на сайті колаборації.

Топ-кварк - це найважча з відомих елементарних частинок. Його маса відноситься до найважливіших вільних параметрів Стандартної моделі. Через велику юкавівську константу зв'язку топ-кварк дає вагомий внесок у поправки високого порядку до маси бозона Хіггса. Це означає, що чим точніше ми вимірюємо його масу, тим більш суворі обмеження накладаються на параметри електрослабої взаємодії. У кінцевому підсумку спільний точний вимір всіх частинок дозволяє перевіряти Стандартну модель на самоузгодженість. Це особливо актуально в світлі недавнього повідомлення колаборації CDF про те, що вимірена ними маса W-бозона сильно відхиляється від загальноприйнятого значення (про можливі наслідки цього результату ви можете прочитати в матеріалі «Камінчик у черевику»).

З моменту виявлення топ-кварку в середині 90-х років минулого століття точність у визначенні його маси неухильно зростає. При цьому у різних груп результати злегка відрізняються. Так, комбінація результатів колаборацій CDF і DZero, що працювали на Теватроні, показала, що маса топ-кварка дорівнює 174,30 0,65 гігаелектронвольт. Водночас експерименти ATLAS і CMS на основі даних, зібраних за перший сезон роботи Великого адронного колайдера, повідомили про свої значення: 172,69'0,48 і 172,44'0,48 гігаелектронвольт, відповідно.

І хоча вже почався третій сезон роботи БАКу, результати обробки даних, зібраних на попередньому етапі, з'являються тільки зараз. Так, у 2018 році колаборація CMS повідомила про вилучення з даних про лептон-струменевий канал розпаду пари топ-кварку і топ-антикварку маси цієї частинки, яка виявилася рівна 172,25 0,63 гігаелектронвольт. Тепер фізики поліпшили метод обробки тих же даних, отримавши значення 171,77 0,38 гігаелектронвольт.

Топ-кварки народжуються в протон-протонних зіткненнях на БАКу переважно у вигляді кварк-антикваркових пар і найчастіше розпадаються на нижній кварк і W-бозон. Народження такої пари можна зафіксувати за продуктами розпаду W-бозонів. Оскільки ці бозони можуть породжувати або адрони, або лептони, фізики виділяють три канали спостереження топ-кваркових пар: чисто лептонний, чисто адронний (струменевий) і лептон-струменевий.

У публікації 2018 року фізики з CMS використовували дані про лептон-струменевий канал розпаду пар топ-кварку і топ-антикварку в зіткненні протон-протонних пучків з енергією 13 тераелектронвольт. Для вилучення з них маси вони застосовували метод ідеограми, який активно використовувався під час обробки результатів першого сезону роботи. При цьому, однак, не були явно враховані ефекти возз'єднання кольору, що призвело до збільшення систематичної невизначеності.

У новій роботі дослідники застосували ряд удосконалень до тих же даних для більш точного вилучення маси топ-кварку. Зокрема, вони додали в аналіз розроблені нещодавно алгоритми налаштування подій CP5 і виділення ароматів струменів DEEPJET. Крім того, вони збільшили з трьох до п'яти кількість різних експериментальних спостережуваних, використовуваних при максимізації функцій правдоподібності.

В результаті всіх поліпшень фізики з CMS досягли рекордно малої невизначеності у вимірі маси топ-кварку, рівної 0,38 гігаелектронвольт. Вона включає в себе також статистичні похибки рівні 0,04 гігаелектронвольт. Сама маса при цьому зменшилася, досягнувши 171,77 гігаелектронвольт. Ця величина узгоджується зі Стандартною моделлю, однак, як і у випадку з W-бозоном, вона сильніше віддалилася від результату, отриманого на Теватроні, що може вказувати на загальний систематичний ефект. У майбутньому фізики планують застосувати нову обробку до решти масиву даних, зібраних за другий сезон роботи БАКу.

Експеримент CMS шукає топ-кварки не тільки в протон-протонних зіткненнях, але і в зіткненнях важких ядер. А їхні сусіди по коллайдеру, колаборація ATLAS, нещодавно виміряли поляризацію одиночних топ-кварків і антикварків.