1
Глюоны ответственны за сильные взаимодействя, а фотоны, W- и Z-бозоны — за электрослабые. Кварки и лептоны образуют три поколения по два кварка и два лептона в каждом. В первое поколение входят u- и d-кварки, электрон и электронное нейтрио. Второе поколение представлено c- и s-кварками, мюоном и мюонным нейтрино. В последнее третье поколение входят топ- и b-кварки, тау-лептон и тау-нейтрино. Все эти лептоны и кварки обнаружены экспериментально и многие их свойства уже известны. Тор-кварк, последний из обнаруженных, является самой тяжелой из всех открытых до сих пор элементарных частиц. Теория, которая описывает такой микромир из взаимодействующих кварков, лептонов и бозонов, называется Стандарной моделью.
2
Кварковая модель была предложена Гелл-Манном в 60-х годах прошлого века для того, чтобы объяснить структуру протона, нейтрона и ряда других известных к тому времени частиц. Массы u- и d- (up и down) кварков составляли примерно треть массы протона, потому что протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (нейтрон состоит из двух d-кварков и одного u-кварка). Топ-кварк, который был обнаружен на коллайдере Теватрон в 1995 году, имеет массу, равную примерно 173 массам протона, он в 173 раза тяжелее, чем протон. И именно то, что он такой тяжелый, делает его очень необычным объектом, отличным от всех остальных кварков. Поиски топ-кварка проходили на Теватроне в течение примерно десяти лет и завершились открытием топ-кварка (его еще называют t-кварк) в процессе парного рождения, когда он рождается вместе со своей античастицей антитоп-кварком. Этот процесс происходит за счет сильных взаимодействий. Топ-кварк может рождаться также одиночно в электрослабых взаимодействиях. Первое указание на одиночное рождение было получено на коллайдере Теватрон в 2007 году, и получило окончательное подтверждение в 2009 году. На Большом адронном коллайдере (БАК) топ-кварк был обнаружен достаточно быстро как в парном, так и в одиночном рождении.
3
В природе топ-кварк просто так не существует. Это крайне нестабильная частица, время жизни которой примерно несколько единиц на 10 в минус 25-й степени секунды. Нам даже трудно себе представить такое маленькое время. Топ-кварк существовал в первые мгновения после возникновения нашей Вселенной во время большого взрыва, но очень быстро распадался. Но в лабораторных условиях его можно создать искусственно, если получить соответствующую энергию, при которой процесс его рождения может происходить. И это, в частности, впервые было достигнуто на коллайдере Теватрон, который в сентябре 2011 года закончил свою работу.
Э. Э. Боос. Физика топ-кварка, хиггсовского бозона и суперсимметрии, c.156-281,В кн: Летняя школа Фонда Д. Зимина «Династия»: «Физика элементарных частиц в преддверии Большого адронного коллайдера.». М.: ЛЕНАНД, 2011, 400 с.
4
Сейчас физика топ-кварка — это чень интересная область исследований на БАК. После рождения в столкновениях на коллайдере топ-кварк очень быстро распадается и, в отличие от всех остальных кварков, не образует адроны, т. е. связные состояния с другими кварками. Причина в том, что топ-кварк распадается быстрее, чем-то характерное время, за которое формируется адрон. Топ-кварк распадается практически стопроцентно на W-бозон и b-кварк. W-бозон в свою очередь распадется по различным каналам либо в заряженные лептоны и соответствующие нейтрино, либо в заряженную пару кварк и антикварк. Рождающиеся в распаде W-бозонов кварки и антикварки увлекают за собой другие кварки, антикварки и глюоны из вакуума и образуют многие адроны, которые летят в основном в направлении кварков и антикварков, получившихся в распаде W-бозонов. Такие потоки адронов, сосредоточенные в достаточно узком конусе, называются струями и детектируются в детекторе. B-кварк также подхватывает из вакуума другие кварки и образует струю с некоторыми особыми по отношению к другим струям свойствами, называемую b-струей. Затем информация об измеренных энергиях и направлениях вылета конечных частиц и струй от распадов топ-кварков анализируется, и этот анализ позволяет определить массу и другие характеристики исходного объекта, в данном случае топ-кварка, который в них распался. Собственно, таким образом и был обнаружен топ-кварк.
5
В Стандартной модели массы у всех частиц появляются за счет взаимодействия с конденсатом поля Хиггса. Сам бозон Хиггса — это возбудение поля Хиггса над этим вакуумным конденсатом. Константа взаимодействия бозона Хиггса с другими полями пропорционально массам этих полей. Поскольку топ-кварк является самой тяжелой из найденных элементарных частиц, то он наиболее сильно взаимодействует с бозоном Хиггса. Интересно, что значение конденсата или, другими словами, ненулевое вакуумное среднее поля Хиггса, и экспериментальное значение массы топ-кварка таковы, что безразмерная константа взаимодействия топ-кварка и бозона Хиггса практически точно равна единице. В настоящее время не ясно: то ли это случайность, то ли за этим равенством единице константы взаимодействия стоит какая-то более фундаментальная физика. Необычные свойства топ-кварка позволяют многим экспертам говорить о том, что, возможно, какие-то отклонения от предсказаний Стандартной модели в первую очередь будут найдены при детальных исследованиях свойств топ-кварка или процессов с его участием. Такие исследования в настоящее время ведутся на БАК, но отклонений от предсказаний Срандартной модели пока не обнаружено. Коллайдер Теватрон закончил свою работу в сентябре 2011 года, однако исследования свойств топ-кварка продолжаются на основе анализа уже набранных данных.
6
Топ-кварк как один из кварков Стандартной модели обладает уже хорошо установленными квантовыми числами, в частности, электрическим зарядом две трети от заряда протона. Он является фермионом, то есть частицей со спином ½, так же, как электрон. Он является партнером b-кварка по квантовому числу, называемому слабым изотопическим спином, а также обладает цветом, т. е. как и все остальные кварки может находиться в трех цветовых состояниях, или, как говорят, быть триплетом по цвету. Все эти характеристики топ-кварка, очень важны для процессов его рождения и распада. Отсутствие отклонений от того, что ожидается, в общем-то говорит, что основные квантовые числа такие, как и предсказано в Стандартной модели.
Э. Э. Боос, Л. В. Дудко, С. Р. Слабоспицкий.Удивительный топ-кварк, с. 415-435, В кн.: «В глубь материи: Физика XXI века глазами создателей экспериментального комплекса на Большом адронном коллайдере в Женеве.» М.: Этерна, 2009, 573 с.
7
В 2010–2011 годах во время, когда были набраны данные БАК в достаточном количестве, первая задача была снова обнаружить топ-кварк. Очень быстро топ-кварк был обнаружен и в парном, и в одиночном рождении. На Теватроне потребовалось примерно 13 дополнительный лет, чтобы обнаружить одиночное рождение, на БАК — это было сделано очень быстро просто потому, что там больше вероятность рождения, лучше детекторы, и был использован богатый опыт поисков на Теватроне. Сейчас ведутся очень деликатные исследования по поиску отклонений в процессах с участием топ-кварка, в вероятностях рождения и в распределениях вторичных продуктов распада от того, что предсказывается Стандартной моделью. По этим отклонениям можно будет судить о том, есть или нет какие-то появления физики за рамками Стандартной модели в секторе топ-кварка. Эта работа практически только началась, и она очень интенсивно сейчас ведется несколькими группами на БАК. Активное участие в этих работах принимают российские специалисты.
