t-кварк

t-кварк (истинный кварк, топ-кварк) (t)
Состав	фундаментальная частица
Семья	Фермион
Группа	Кварк
Поколение	Третье
Участвует во взаимодействиях	сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное
Кол-во типов	3
Масса	173,1 ± 0,6 ГэВ/c2
Время жизни	~5⋅10−25 с
Ширина распада	1,41 0,19 −0,15 ГэВ
Каналы распада	W b
Обнаружена	коллаборации CDF и D0, 1994
Квантовые числа
Электрический заряд	2/3 e
Цветовой заряд	r, g, b
Спин	½ ħ

t-кварк (сокращение от топ-кварк, англ. top quark) или истинный кварк (англ. truth quark) — кварк с зарядом (2/3)e, принадлежащий к третьему поколению.

Свойства

Имея массу 173,2 ± 0,7 ГэВ/c², t-кварк является наиболее массивным среди всех частиц Стандартной Модели; его масса близка к массе ядра рения. Время жизни t-кварка составляет около 5×10⁻²⁵ секунды, на порядок меньше временно́й шкалы сильного взаимодействия (≈3×10⁻²⁴ секунды). Ввиду короткого времени жизни он не успевает после возникновения адронизоваться (стать частью адрона) и ведёт себя как «голый» кварк; таким образом, не существует адронов, содержащих валентный t-кварк (виртуальные t-кварки, строго говоря, присутствуют в любом адроне).

Распадается почти всегда на b-кварк и W-бозон (слабый распад); около 9 % распадов происходят с излучением лёгкого заряженного лептона (электрона или мюона) и соответствующего нейтрино. Распад с вылетом тяжёлого τ-лептона пока не наблюдался с достаточно значимой статистикой. Электромагнитные каналы распада подавлены (радиационный распад в более лёгкие u- или c-кварк по реакциям t → γu, t → γc не обнаружен, экспериментальная вероятность таких реакций менее 0,6 %). Аналогичные слабые реакции с вылетом вместо фотона Z-бозона (t → Z⁰u, t → Z⁰c) предсказаны, но достоверно пока не наблюдались (вероятность менее 14 %). Распад t-кварка за счёт сильного взаимодействия запрещён, поскольку сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат.

Истинный кварк ввиду большой массы и близкой к единице константе связи Юкавы для этой частицы ($y_{t}={\sqrt {2}}m_{t}/v,$ где v = 246 ГэВ — вакуумное среднее поля Хиггса) сильно влияет на ряд наблюдаемых величин, обусловленных электрослабым взаимодействием, вследствие участия t-кварка в квантовых петлевых поправках Стандартной Модели. В частности, пока неизвестно, стабилен ли вакуум Стандартной Модели или возможен его спонтанный распад из-за того, что «бегущая» (зависящая от энергии) константа самодействия поля Хиггса λ_H при высоких энергиях становится меньше её значения при нулевой энергии. λ_H существенно зависит (через вклад в вакуумные петлевые поправки) от массы t-кварка, однако точность измерений m_t (около 0,37 % на 2017 год) пока не позволяет решить вопрос о стабильности вакуума.

История открытия

Поиски t-кварка продолжались около 20 лет. Он был открыт в 1994—1995 годах в экспериментах на коллайдере Тэватрон в американской лаборатории Фермилаб коллаборациями CDF и D0. Бо́льшая часть экспериментальных данных была накоплена в течение 1994 года. Статьи, заявляющие об открытии, были направлены в журнал Physical Review Letters коллаборациями CDF и D0 26 февраля 1995 года. Содержание статей не разглашалось до момента официального объявления об открытии, которое состоялось на семинаре в Фермилабе 2 марта 1995 года, одновременно с публикацией обеих работ.

До запуска Большого адронного коллайдера Тэватрон был единственным в мире экспериментальным комплексом, где могла родиться пара t-кварков. Энергия сталкивающейся протон-антипротонной пары в системе центра масс на этом ускорителе равна 1,96 ТэВ. При такой энергии пары t-кварк   t-антикварк рождаются с сечением около 7 пикобарн, что совпадает с предсказанием Стандартной Модели (6,7—7,5 пикобарн для массы t-кварка 175 ГэВ/c²).

Открытие t-кварка, многие свойства которого были предсказаны Стандартной Моделью, окончательно подтвердило реальность кварков.

Литература

• Боос Э. Э., Брандт О., Денисов Д., Денисов С. П., Граннис П. Top-кварк (к 20-летию открытия) (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2015. — Т. 185. — С. 1241—1269. — doi:10.3367/UFNr.0185.201512a.1241.
• Andrea Giammanco. Single top quark production at the LHC (англ.) // Reviews in Physics. — 2016. — Vol. 1. — P. 1—12. — doi:10.1016/j.revip.2015.12.001.
• Giorgio Cortiana. Top-quark mass measurements: Review and perspectives (англ.) // Reviews in Physics. — 2016. — Vol. 1. — P. 60—76. — doi:10.1016/j.revip.2016.04.001.

Ссылки

• Сводная таблица свойств t-кварка на сайте Particle Data Group (2017) (англ.)
• Полная таблица свойств частиц на сайте Particle Data Group (англ.)