Физики измерили массу топ-кварка с беспрецедентной точностью

Коллаборация CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) провела самое точное измерение массы истинного или топ-кварка (t-кварк) — самой тяжелой из известных элементарных частиц. Последний результат CMS оценивает значение массы топ-кварка с точностью около 0,22%. Существенный выигрыш в точности достигается за счет новых методов анализа и усовершенствованных процедур, позволяющих последовательно и одновременно обрабатывать различные погрешности измерений.

Точное знание массы топ-кварка имеет первостепенное значение для понимания нашего мира в самом малом масштабе. Знание точной массы этой тяжелейшей элементарной частицы имеет решающее значение, поскольку позволяет проверить внутреннюю согласованность математического описания всех элементарных частиц, называемого Стандартной моделью.

Например, если массы бозона W и бозона Хиггса известны точно, масса топ-кварка может быть предсказана Стандартной моделью. Точно так же, используя массы топ-кварка и бозона Хиггса, можно предсказать массу W-бозона.

Интересно, что, несмотря на значительный прогресс, определение массы в теоретической физике, связанное с эффектом квантово-физических поправок, все еще трудно определить для топ-кварка.

И что примечательно, наше знание самой стабильности нашей Вселенной зависит от нашего совместного знания о массах бозона Хиггса и топ-кварка. Мы знаем только, что Вселенная очень близка к метастабильному состоянию с точностью современных измерений массы топ-кварка.

Если бы масса топ-кварка была хоть немного другой, Вселенная была бы менее стабильной в долгосрочной перспективе, потенциально в конечном итоге исчезнув в результате какого-то катастрофического события, подобного Большому взрыву.

Чтобы сделать последнее измерение массы топ-кварка, используя данные о столкновениях протон-протон на БАК, собранные детектором CMS в 2016 году, команда CMS измерила пять различных свойств событий столкновения, в которых рождается пара топ-кварков, а не трех свойств, которые были измерены в предыдущих анализах. Эти свойства зависят от массы топ-кварка.

Кроме того, ученые выполнили чрезвычайно точную калибровку данных CMS и получили глубокое понимание оставшихся экспериментальных и теоретических неопределенностей и их взаимозависимостей.

С помощью этого инновационного метода все эти неопределенности также были извлечены во время математической подгонки, определяющей окончательное значение массы топ-кварка, и это означало, что некоторые из неопределенностей можно было оценить гораздо точнее.

Результат 171,77 ± 0,38 ГэВ согласуется с предыдущими измерениями и предсказанием Стандартной модели.

Коллаборация CMS сделала значительный шаг вперед с этим новым методом измерения массы топ-кварка. Передовая статистическая обработка неопределенностей и использование большего количества свойств значительно улучшили измерения.

Еще один большой шаг ожидается, когда новый подход будет применен к более обширному набору данных, зарегистрированному детектором CMS в 2017 и 2018 годах.

Источник: CMS Physics Analysis Summary «A profile likelihood approach to measure the top quark mass in the lepton+jets channel at √s= 13 TeV«