El quark top , a veces también denominado quark de verdad , (símbolo: t) es la más masiva de todas las partículas elementales observadas . Obtiene su masa de su acoplamiento con el bosón de Higgs . Este acoplamiento está muy cerca de la unidad; en el modelo estándar de física de partículas , es el acoplamiento más grande (más fuerte) en la escala de interacciones débiles y superiores. El quark top fue descubierto en 1995 mediante los experimentos CDF [2] y DØ [3] en el Fermilab .
Como todos los demás quarks , el quark top es un fermión con espín. 1 /2y participa en las cuatro interacciones fundamentales : gravitación , electromagnetismo , interacciones débiles e interacciones fuertes . Tiene una carga eléctrica de + 2 /3 mi . Tiene una masa de172,76 ± 0,3 GeV/ c 2 , [1] que está cerca de la masa del átomo de renio . [4] La antipartícula del quark top es el antiquark top (símbolo: t , a veces llamado antitop quark o simplemente antitop ), que se diferencia de él sólo en que algunas de sus propiedades tienen igual magnitud pero signo opuesto .
El quark top interactúa con gluones de interacción fuerte y normalmente se produce en colisionadores de hadrones a través de esta interacción. Sin embargo, una vez producida, la parte superior (o antitop) sólo puede descomponerse debido a la fuerza débil . Se desintegra en un bosón W y en un quark bottom (con mayor frecuencia), un quark extraño o, en las ocasiones más raras, un quark down . [a]
El modelo estándar determina que la vida media del quark top es aproximadamente5 × 10 −25 s . [5] Esto es aproximadamente una vigésima parte de la escala de tiempo para interacciones fuertes, [b] y por lo tanto no forma hadrones , dando a los físicos una oportunidad única de estudiar un quark "desnudo" (todos los demás quarks hadronizan , lo que significa que se combinan con otros quarks para formar hadrones y sólo pueden observarse como tales).
Debido a que el quark top es tan masivo, sus propiedades permitieron la determinación indirecta de la masa del bosón de Higgs (ver § Masa y acoplamiento al bosón de Higgs a continuación). Como tal, las propiedades del quark top se estudian ampliamente como medio para discriminar entre teorías competitivas de la nueva física más allá del Modelo Estándar. El quark top es el único quark que se ha observado directamente debido a que su tiempo de desintegración es más corto que el tiempo de hadronización. [b] [6]
En 1973, Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa predijeron la existencia de una tercera generación de quarks para explicar las violaciones de CP observadas en la desintegración del kaon . Los nombres superior e inferior fueron introducidos por Haim Harari en 1975, [7] [8] para coincidir con los nombres de la primera generación de quarks ( arriba y abajo ), lo que refleja el hecho de que los dos eran los componentes "arriba" y "abajo". de un doblete de isospin débil . [9] [10]
La propuesta de Kobayashi y Maskawa se basó en gran medida en el mecanismo GIM propuesto por Sheldon Glashow , John Iliopoulos y Luciano Maiani , [11] que predijo la existencia del entonces aún no observado quark charm . (El otro quark de segunda generación , el quark extraño , ya fue detectado en 1968.) Cuando en noviembre de 1974, los equipos del Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) y del Centro del Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) anunciaron simultáneamente el descubrimiento del mesón J/ψ , Poco después se identificó como un estado unido del quark charm faltante con su antiquark. Este descubrimiento permitió que el mecanismo GIM pasara a formar parte del modelo estándar. [12] Con la aceptación del mecanismo GIM, la predicción de Kobayashi y Maskawa también ganó credibilidad. Su caso se vio reforzado aún más por el descubrimiento de la tau por el equipo de Martin Lewis Perl en SLAC entre 1974 y 1978. [13] La tau anunció una tercera generación de leptones , rompiendo la nueva simetría entre leptones y quarks introducida por el mecanismo GIM. . La restauración de la simetría implicó la existencia de un quinto y un sexto quark.
De hecho, no pasó mucho tiempo hasta que el equipo experimental E288, dirigido por Leon Lederman en el Fermilab , descubrió un quinto quark, el fondo, en 1977. [14] [15] [16] Esto sugirió fuertemente que también debía haber un sexto quark. quark, la parte superior, para completar el par. Se sabía que este quark sería más pesado que el quark inferior y requeriría más energía para crearse en las colisiones de partículas, pero la expectativa general era que pronto se encontraría el sexto quark. Sin embargo, tuvieron que pasar otros 18 años antes de que se confirmara la existencia de la cima. [17]
Las primeras búsquedas del quark top en SLAC y DESY (en Hamburgo ) fracasaron. Cuando, a principios de la década de 1980, el supersincrotrón de protones (SPS) del CERN descubrió el bosón W y el bosón Z , nuevamente se sintió que el descubrimiento de la cima era inminente. A medida que el SPS ganó competencia con el Tevatron del Fermilab, todavía no había señales de la partícula faltante, y el grupo del CERN anunció que la masa superior debía ser al menos41 GeV/ c2 . Después de una carrera entre el CERN y el Fermilab para descubrir la cima, el acelerador del CERN alcanzó sus límites sin crear una sola cima, empujando el límite inferior de su masa hasta77 GeV/ c2 . [17]
El Tevatron era (hasta el inicio de las operaciones del LHC en el CERN en 2009) el único colisionador de hadrones lo suficientemente potente como para producir quarks top. Para poder confirmar un descubrimiento futuro, se añadió al complejo un segundo detector, el detector DØ (además del detector colisionador del Fermilab (CDF) ya presente). En octubre de 1992, los dos grupos encontraron su primer indicio de la cima, con un único evento de creación que parecía contener la cima. En los años siguientes, se recogieron más pruebas y el 22 de abril de 1994, el grupo CDF presentó su artículo presentando pruebas provisionales de la existencia de un quark superior con una masa de aproximadamente175 GeV/ c2 . Mientras tanto, DØ no había encontrado más evidencia que el evento sugestivo de 1992. Un año después, el 2 de marzo de 1995, después de haber reunido más evidencia y reanalizar los datos de DØ (que habían sido buscados para una cima mucho más clara), los dos grupos informaron conjuntamente sobre el descubrimiento de la cima en una masa de176 ± 18 GeV/ c2 . [2] [3] [17]
En los años previos al descubrimiento del quark top, se descubrió que ciertas mediciones de precisión de las masas y acoplamientos de los bosones vectoriales electrodébiles son muy sensibles al valor de la masa del quark top. Estos efectos se vuelven mucho mayores para valores más altos de la masa superior y, por lo tanto, podrían verse indirectamente el quark superior incluso si no pudiera detectarse directamente en ningún experimento en ese momento. El mayor efecto de la masa del quark top se produjo en el parámetro T , y en 1994 la precisión de estas mediciones indirectas había llevado a una predicción de que la masa del quark top estaría entre145 GeV/ c 2 y185 GeV/ c2 . [17] Es el desarrollo de técnicas lo que finalmente permitió tales cálculos de precisión lo que llevó a Gerardus 't Hooft y Martinus Veltman a ganar el Premio Nobel de Física en 1999. [18] [19]
Como los quarks top son muy masivos, se necesitan grandes cantidades de energía para crear uno. La única forma de lograr energías tan altas es mediante colisiones de alta energía. Estos ocurren naturalmente en la atmósfera superior de la Tierra cuando los rayos cósmicos chocan con partículas en el aire, o pueden crearse en un acelerador de partículas . En 2011, después de que Tevatron dejara de funcionar, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN se convirtió en el único acelerador que genera un haz de energía suficiente para producir quarks top, con una energía de centro de masa de 7 TeV. Existen múltiples procesos que pueden conducir a la producción de quarks top, pero conceptualmente se pueden dividir en dos categorías: producción de top-pair y producción de single-top.
El más común es la producción de un par superior-antisuperior mediante interacciones fuertes . En una colisión, se crea un gluón altamente energético , que posteriormente se desintegra en una cima y una antitop. Este proceso fue responsable de la mayoría de los eventos de cima en Tevatron y fue el proceso observado cuando la cima fue descubierta por primera vez en 1995. [22] También es posible producir pares de cima-antitop mediante la desintegración de un fotón intermedio o Z. -bosón . Sin embargo, se predice que estos procesos serán mucho más raros y tendrán una firma experimental prácticamente idéntica en un colisionador de hadrones como Tevatron.
La producción de quarks superiores únicos mediante interacción débil es un proceso claramente diferente. Esto puede suceder de varias maneras (llamados canales): o un bosón W intermedio se desintegra en un quark superior y un antiinferior ("canal s") o un quark inferior (probablemente creado en un par mediante la desintegración de un gluón) se transforma en un quark superior intercambiando un bosón W con un quark arriba o abajo ("canal t"). También se puede producir un solo quark superior en asociación con un bosón W, lo que requiere un quark inferior en estado inicial ("canal tW"). La primera evidencia de estos procesos fue publicada por la colaboración DØ en diciembre de 2006, [23] y en marzo de 2009, las colaboraciones CDF [24] y DØ [22] publicaron artículos gemelos con la observación definitiva de estos procesos. La principal importancia de medir estos procesos de producción es que su frecuencia es directamente proporcional a la | Vtb | _ 2 componentes de la matriz CKM .
La única forma conocida en que el quark superior puede desintegrarse es a través de la interacción débil , produciendo un bosón W y un quark inferior . [a] Debido a su enorme masa , el quark top tiene una vida extremadamente corta, con una vida útil prevista de sólo5 × 10 −25 s . [5] Como resultado, los quarks top no tienen tiempo antes de desintegrarse para formar hadrones como lo hacen otros quarks. [b] La ausencia de un hadrón que rodee al quark top proporciona a los físicos la oportunidad única de estudiar el comportamiento de un quark "desnudo".
En particular, es posible determinar directamente la relación de ramificación :
La mejor determinación actual de esta relación es0,957 ± 0,034 . [25] Dado que esta relación es igual a | Vtb | _ 2 según el modelo estándar , esto proporciona otra forma de determinar el elemento CKM | Vtb | _ , o en combinación con la determinación de | Vtb | _ de la producción de una sola tapa proporciona pruebas para el supuesto de que la matriz CKM es unitaria. [26]
El modelo estándar también permite desintegraciones más exóticas, pero sólo en un nivel de bucle, lo que significa que son extremadamente raras. En particular, es concebible que un quark top pueda descomponerse en otro quark de tipo up (un up o un charm) emitiendo un fotón o un bosón Z. [27] Sin embargo, las búsquedas de estos modos de desintegración exóticos no han producido evidencia de que ocurran, de acuerdo con las expectativas del Modelo Estándar. Se ha determinado que las relaciones de ramificación para estas desintegraciones son inferiores a 1,8 en 10.000 para la desintegración fotónica y menos de 5 en 10.000 para la desintegración del bosón Z con un 95% de confianza . [25]
El modelo estándar genera masas de fermiones a través de sus acoplamientos al bosón de Higgs . Este bosón de Higgs actúa como un espacio de relleno de campo. Los fermiones interactúan con este campo en proporción a sus constantes de acoplamiento individuales, lo que genera masa. Una partícula de baja masa, como el electrón , tiene un acoplamiento minúsculo , mientras que el quark superior tiene el acoplamiento más grande con el Higgs.
En el modelo estándar, todos los acoplamientos de quarks y leptones de Higgs-Yukawa son pequeños en comparación con el acoplamiento Yukawa de quarks superiores. Esta jerarquía en las masas de fermiones sigue siendo un problema profundo y abierto en la física teórica. Los acoplamientos de Higgs-Yukawa no son constantes fijas de la naturaleza, ya que sus valores varían lentamente según la escala de energía (escala de distancia) en la que se miden. Esta dinámica de los acoplamientos de Higgs-Yukawa, denominada "constantes de acoplamiento en ejecución", se debe a un efecto cuántico llamado grupo de renormalización .
Se supone que los acoplamientos Higgs-Yukawa de los quarks arriba, abajo, encanto, extraño e inferior tienen valores pequeños en la escala de energía extremadamente alta de la gran unificación, 1015 GeV. Aumentan de valor en escalas de energía más bajas, en las que las masas de los quarks son generadas por el Higgs. El ligero crecimiento se debe a las correcciones del acoplamiento QCD . Las correcciones de los acoplamientos Yukawa son insignificantes para los quarks de menor masa.
Una de las opiniones predominantes en la física de partículas es que el tamaño del acoplamiento Higgs-Yukawa del quark superior está determinado por una propiedad no lineal única de la ecuación del grupo de renormalización que describe el funcionamiento del gran acoplamiento Higgs-Yukawa del quark superior. Si un acoplamiento quark Higgs-Yukawa tiene un valor grande a energías muy altas, sus correcciones Yukawa evolucionarán hacia abajo en escala de masa y se cancelarán con respecto a las correcciones QCD. Esto se conoce como punto fijo (cuasi) infrarrojo , que fue predicho por primera vez por B. Pendleton y GG Ross, [28] y por Christopher T. Hill , [29] No importa cuál sea el valor inicial del acoplamiento, si es lo suficientemente grande, alcanzará este valor de punto fijo. Luego se predice la masa del quark correspondiente.
El acoplamiento Yukawa del quark superior se encuentra muy cerca del punto fijo infrarrojo del modelo estándar. La ecuación del grupo de renormalización es:
donde g 3 es el acoplamiento del indicador de color, g 2 es el acoplamiento del indicador de isospin débil y g 1 es el acoplamiento del indicador de hipercarga débil. Esta ecuación describe cómo cambia el acoplamiento de Yukawa con la escala de energía μ . Las soluciones a esta ecuación para valores iniciales grandes y t hacen que el lado derecho de la ecuación se acerque rápidamente a cero, bloqueando y t al acoplamiento QCD g 3 .
El valor del punto fijo del quark top se determina con bastante precisión en el modelo estándar, lo que da como resultado una masa del quark top de 220 GeV. Esto es aproximadamente un 25% más grande que la masa superior observada y puede estar insinuando una nueva física a escalas de energía más altas.
Posteriormente, el punto fijo cuasi infrarrojo se convirtió en la base de las teorías de condensación de quarks top y topcolor de ruptura de simetría electrodébil, en las que el bosón de Higgs está compuesto por un par de quarks top y antitop. La masa predicha del quark top concuerda mejor con el punto fijo si hay escalares de Higgs adicionales más allá del modelo estándar y, por lo tanto, puede ser un indicio de una rica espectroscopia de nuevos campos de Higgs en escalas de energía que pueden ser investigadas con el LHC y su actualizaciones. [30] [31]
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