Η ασυμμετρία του bottom κουάρκ μετρήθηκε από το CDF
Θυμάστε τις μετρήσεις του CDF και του DZERO για την ασυμμετρία του top κουάρκ πριν από μερικά χρόνια; Αυτές είχαν προκαλέσει έναν σχετικό ενθουσιασμό, αφού και τα δύο πειράματα έδειχναν πως υπάρχει απόκλιση από τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου (ΚΠ). Αυτό πράγματι θα μπορούσε να αποτελέσει σημείο αναφοράς για φαινόμενα νέας φυσικής σχετικά με την παραγωγή του top, και όπως ήταν φυσικό ακολούθησαν αρκετές νέες θεωρητικές έρευνες και μοντέλα.
Η περιγραφή της ποσότητας αυτής είναι σχετικά εύκολη: βάζοντας πρωτόνια και αντιπρωτόνια να συγκρουστούν στον επιταχυντή του Tevatron σε ενέργειες 2TeV, παράγονται μερικές φορές (για να είμαστε πιο ακριβείς, σπάνια: μία φορά κάθε δέκα δισεκατομμύρια συγκρούσεις) ζεύγη top-αντιtop. Έτσι, λοιπόν, κανείς μπορεί να μετρήσει τον αριθμό των θετικά φορτισμένων top κουάρκ που εκπέμπονται προς τη μία κατεύθυνση -ας πούμε στη διεύθυνση των αρχικών δεσμών- και να αφαιρέσει από αυτά τον αριθμό των ίδιων σωματιδίων που εκπέμπονται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Εάν διαιρέσετε τότε με τον συνολικό αριθμό των θετικών top κουάρκ θα πάρετε ένα κλάσμα, το οποίο θα μπορούσατε κάλλιστα να το ονομάσετε “ασυμμετρία”. Θα ήταν λογικό να περιμένετε αυτή τη ποσότητα να είναι σε συμφωνία με το μηδέν.
Στην πραγματικότητα, όμως, υπάρχουν κάποια λεπτά σημεία – κατανοητά πλήρως εντός του ΚΠ- τα οποία αναγκάζουν αυτήν τη ποσότητα να αποκλίνει ελάχιστα από το μηδέν. Το φαινόμενο εξαρτάται επίσης από τη συνολική ενέργεια των αντιδράσεων, και επομένως είναι λογικό να μετράει κανείς την ασυμμετρία ως συνάρτηση της συνολικής μάζας ηρεμίας του συστήματος top-αντιtop, η οποία και μπορεί να μετρηθεί εύκολα. Στα πρώτα αποτελέσματα των CDF και DZERO, αυτή η ασυμμετρία φάνηκε να αυξάνεται όσο μεγάλωνε και η μάζα του συστήματος: ό,τι ακριβώς θα περίμενε κανείς να δει εάν κρυβόταν πίσω από το φαινόμενο νέα φυσική στις πολύ υψηλές ενέργειες. Το φαινόμενο βρισκόταν σε επίπεδο σημαντικότητας 3σ κατά τις πρώτες αναλύσεις.
Η παραπάνω υπόθεση “έκλεισε” πρόσφατα, μετά από τα νέα αποτελέσματα από το Tevatron, τα οποία έδειχναν ελαττωμένες ασυμμετρίες, συμβατές πλέον με τις προβλέψεις του ΚΠ. Ή, καλύτερα, η υπόθεση δεν έχει κλείσει, αλλά, ακόμη και αν υπάρχουν αποκλίσεις από τις προβλέψεις του ΚΠ, αυτό δεν είναι πλέον δουλεία για το Tevatron- για να βρεθούν αυτές, απαιτείται μεγαλύτερη στατιστική ακρίβεια και υψηλότερη κλίμακα ενεργειών.
Δυστυχώς, η ασυμμετρία που θα δημιουργούσε η ύπαρξη νέας φυσικής μπορεί να μελετηθεί πολύ καλύτερα σε έναν επιταχυντή πρωτονίου-αντιπρωτονίου από ό,τι σε έναν επιταχυντή πρωτονίου-πρωτονίου (σαν και αυτόν με τον οποίον δουλεύουμε τώρα στο CERN, τον LHC): οι διαδικασίες παραγωγής των ζευγών top-αντιtop στον LHC είναι διαφορετικές, και φαινόμενα νέας φυσικής μπορούν να κρύβονται εκεί για λίγο παραπάνω.
Συνεπώς η κατάσταση είναι σήμερα λιγότερο συναρπαστική από ό,τι πριν από μερικά χρόνια, αλλά παραμένει σχετικά ενδιαφέρουσα. Συγκεκριμένα, φαίνεται σαν να είναι ένα πεδίο στο οποίο οι νέες ιδέες θα είναι αυτές που θα κάνουν τη διαφορά όσο περιμένουμε για περισσότερα πειραματικά δεδομένα (είτε από έναν υψηλότερης ενέργειας επιταχυντή πρωτονίου-αντιπρωτονίου, είτε από αύξηση της φωτεινότητας του LHC). Μια τέτοια ωραία ιδέα ήρθε πρόσφατα από την κοινοπραξία του CDF. Εάν κάποιες διαδικασίες νέας φυσικής μπορούν να προκαλέσουν ασυμμετρία στην παραγωγή του top κουάρκ, είναι λογικό να εμφανίζεται ίδιας φύσεως ασυμμετρία και κατά την παραγωγή bottom-αντιbottom (το bottom κουάρκ είναι ο παρτενέρ του top στην τρίτη γενεά σωματιδίων, και είναι αρκετά φυσικό να είναι ευαίσθητο σε παρόμοια φαινόμενα).
Πολύ ωραία. Αλλά πως να μελετήσει κανείς τις ασυμμετρίες bottom-αντιbottom; Τα top κουάρκ έχουν έναν πολύ χαρακτηριστικό τρόπο διάσπασης σε ένα bottom κουάρκ και ένα μποζόνιο W, και το φορτίο του W προδίδει εάν η διάσπαση προήλθε από top ή από αντιtop (και με αυτόν τον τρόπο φυσικά μπορεί κανείς να βρει αμέσως προς ποια κατεύθυνση έφυγε το καθένα), όμως για τα bottom η διαδικασία δεν είναι τόσο απλή. Το bottom μπορεί και αυτό να διασπαστεί εκπέμποντας W, αλλά εδώ το W είναι εικονικό, και η αναγνώριση του φορτίου του είναι αρκετά πιο δύσκολη από ό,τι στην περίπτωση των πραγματικών, ενεργητικών W που εκπέμπονται κατά τις διασπάσεις top κουάρκ.
Βεβαίως, κανείς θα μπορούσε να πάρει την απόφαση να επιλέγει ζεύγη πιδάκων προερχόμενα από αδρονιοποίηση bottom-αντιbottom, “ταγκάροντας” (tagging) το bottom περιεχόμενο τους μέσω της αναγνώρισης ενός ηλεκτρονίου ή μιονίου χαμηλής ενέργειας εντός του πίδακα, καθώς ένα b κουάρκ εκπέμπει αρνητικό μποζόνιο W και αυτό με την σειρά του αρνητικό ηλεκτρόνιο ή μιόνιο, ενώ από την άλλη, ένα αντιbottom θα δώσει τελικά θετικό ηλεκτρόνιο ή μιόνιο. Δυστυχώς, αυτή είναι μία background-ridden τεχνική και μάλιστα μία από αυτές με ιδιαίτερα μικρή απόδοση (διότι δεν είναι εύκολο να αναγνωρίσεις λεπτόνια στο κέντρο πιδάκων).
Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε από τους Dante Amidei, Tom Wright, και Jon Wilson στο CDF ήταν να επιλέξουν τα ζεύγη πιδάκων με secondary vertex b-tagging, και εν συνεχεία να εστιάσουν την προσοχή τους στο παρατηρούμενο μέγεθος “φορτίο πίδακα” (jet charge): πραγματοποιώντας ένα momentum-weighted άθροισμα των παρατηρούμενων θετικών και αρνητικών ηλεκτρικών φορτίων των φορτισμένων σωματιδίων εντός του πίδακα, επιτυγχάνει κανείς μία διαφοροποίηση μεταξύ πιδάκων προερχόμενων από b και αντιb κουάρκ.
Η ανάλυση είναι στην πραγματικότητα εξαιρετικά δύσκολη, αφού όχι μόνο η διαφοροποίηση που πετυχαίνουμε μέσω του φορτίου πίδακα είναι ελάχιστη, αλλά υπάρχει και σημαντικό υπόβαθρο από πίδακες οι οποίοι δεν προέρχονται από b κουάρκ. Μάλιστα, αυτοί μπορούν να παρουσιάσουν και μία “κίβδηλη” ασυμμετρία η οποία επίσης θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν. Ως συνήθως, όσο μεγαλύτερη ακρίβεια θες να έχει η ανάλυση σου, τόσες περισσότερες λεπτομέρειες θα πρέπει να συνυπολογίσεις. Οι παλαιοί μου συνάδελφοι έχουν κάνει εδώ μία πολύ καλή δουλειά σε αυτό το κομμάτι, αλλά δεν είναι αυτό το κατάλληλο σημείο να αναφερθώ σε αυτές. Κάποιες λεπτομέρειες της τεχνικής τους μπορείτε να βρείτε στη δημόσια σελίδα της ανάλυσης, ή στο πρόσφατο κείμενο τους στο πλαίσιο ενός συνεδρίου.
Εν τέλει, η μέτρηση δεν είναι εξίσου ακριβής με αυτήν που έχουμε από τα ζεύγη top κουάρκ, αλλά είναι σε κάθε περίπτωση μια απόδειξη της βιωσιμότητας της μεθόδου και μάλιστα ήδη έρχεται σε διαφωνία με μερικά μοντέλα νέας φυσικής. Η μέτρηση της ασυμμετρίας που έγινε συνοψίζεται στο παρακάτω γράφημα, όπου στον οριζόντιο άξονα είναι η μάζα ηρεμίας των δύο b-πιδάκων και ο κάθετος άξονας αντιστοιχεί στην παρατηρούμενη ασυμμετρία φορτίου.
Όπως μπορείτε να δείτε, οι γραμμές σφάλματος είναι αρκετά μεγάλες ώστε να μην επιτρέπουν να βγάλουμε συμπεράσματα ως προς το ποιο από τα μοντέλα που έχουν εξετάστει παρουσιάζει τη μεγαλύτερη συμφωνία με το αποτέλεσμα. Ένα σωματίδιο, το axigluon, θα μπορούσε να επιφέρει διορθώσεις στις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου (οι οποίες φαίνονται στο διάγραμμα με ροζ χρώμα), αλλά η ασυμμετρία που θα προκαλούσε αυτό, επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη μάζα του. Για παράδειγμα, βλέπουμε πως η ασυμμετρία που βρέθηκε διαφωνεί με αυτήν που θα έδινε ένα ελαφρύ axigluon στα 200 GeV (με μπλε), αλλά, αντίθετα, είναι σε συμφωνία με την ασυμμετρία που θα έδινε η ύπαρξη axigluon με μάζα 345 GeV (με μωβ). Επομένως, ένα axigluon μάζας 200 GeV, πράγματι, απορρίπτεται από τα δεδομένα του CDF.
Συνεπώς η κατάσταση είναι σήμερα λιγότερο συναρπαστική από ό,τι πριν από μερικά χρόνια, αλλά παραμένει σχετικά ενδιαφέρουσα. Συγκεκριμένα, φαίνεται σαν να είναι ένα πεδίο στο οποίο οι νέες ιδέες θα είναι αυτές που θα κάνουν τη διαφορά όσο περιμένουμε για περισσότερα πειραματικά δεδομένα (είτε από έναν υψηλότερης ενέργειας επιταχυντή πρωτονίου-αντιπρωτονίου, είτε από αύξηση της φωτεινότητας του LHC). Μια τέτοια ωραία ιδέα ήρθε πρόσφατα από την κοινοπραξία του CDF. Εάν κάποιες διαδικασίες νέας φυσικής μπορούν να προκαλέσουν ασυμμετρία στην παραγωγή του top κουάρκ, είναι λογικό να εμφανίζεται ίδιας φύσεως ασυμμετρία και κατά την παραγωγή bottom-αντιbottom (το bottom κουάρκ είναι ο παρτενέρ του top στην τρίτη γενεά σωματιδίων, και είναι αρκετά φυσικό να είναι ευαίσθητο σε παρόμοια φαινόμενα).
Πολύ ωραία. Αλλά πως να μελετήσει κανείς τις ασυμμετρίες bottom-αντιbottom; Τα top κουάρκ έχουν έναν πολύ χαρακτηριστικό τρόπο διάσπασης σε ένα bottom κουάρκ και ένα μποζόνιο W, και το φορτίο του W προδίδει εάν η διάσπαση προήλθε από top ή από αντιtop (και με αυτόν τον τρόπο φυσικά μπορεί κανείς να βρει αμέσως προς ποια κατεύθυνση έφυγε το καθένα), όμως για τα bottom η διαδικασία δεν είναι τόσο απλή. Το bottom μπορεί και αυτό να διασπαστεί εκπέμποντας W, αλλά εδώ το W είναι εικονικό, και η αναγνώριση του φορτίου του είναι αρκετά πιο δύσκολη από ό,τι στην περίπτωση των πραγματικών, ενεργητικών W που εκπέμπονται κατά τις διασπάσεις top κουάρκ.
Βεβαίως, κανείς θα μπορούσε να πάρει την απόφαση να επιλέγει ζεύγη πιδάκων προερχόμενα από αδρονιοποίηση bottom-αντιbottom, “ταγκάροντας” (tagging) το bottom περιεχόμενο τους μέσω της αναγνώρισης ενός ηλεκτρονίου ή μιονίου χαμηλής ενέργειας εντός του πίδακα, καθώς ένα b κουάρκ εκπέμπει αρνητικό μποζόνιο W και αυτό με την σειρά του αρνητικό ηλεκτρόνιο ή μιόνιο, ενώ από την άλλη, ένα αντιbottom θα δώσει τελικά θετικό ηλεκτρόνιο ή μιόνιο. Δυστυχώς, αυτή είναι μία background-ridden τεχνική και μάλιστα μία από αυτές με ιδιαίτερα μικρή απόδοση (διότι δεν είναι εύκολο να αναγνωρίσεις λεπτόνια στο κέντρο πιδάκων).
Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε από τους Dante Amidei, Tom Wright, και Jon Wilson στο CDF ήταν να επιλέξουν τα ζεύγη πιδάκων με secondary vertex b-tagging, και εν συνεχεία να εστιάσουν την προσοχή τους στο παρατηρούμενο μέγεθος “φορτίο πίδακα” (jet charge): πραγματοποιώντας ένα momentum-weighted άθροισμα των παρατηρούμενων θετικών και αρνητικών ηλεκτρικών φορτίων των φορτισμένων σωματιδίων εντός του πίδακα, επιτυγχάνει κανείς μία διαφοροποίηση μεταξύ πιδάκων προερχόμενων από b και αντιb κουάρκ.
Η ανάλυση είναι στην πραγματικότητα εξαιρετικά δύσκολη, αφού όχι μόνο η διαφοροποίηση που πετυχαίνουμε μέσω του φορτίου πίδακα είναι ελάχιστη, αλλά υπάρχει και σημαντικό υπόβαθρο από πίδακες οι οποίοι δεν προέρχονται από b κουάρκ. Μάλιστα, αυτοί μπορούν να παρουσιάσουν και μία “κίβδηλη” ασυμμετρία η οποία επίσης θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν. Ως συνήθως, όσο μεγαλύτερη ακρίβεια θες να έχει η ανάλυση σου, τόσες περισσότερες λεπτομέρειες θα πρέπει να συνυπολογίσεις. Οι παλαιοί μου συνάδελφοι έχουν κάνει εδώ μία πολύ καλή δουλειά σε αυτό το κομμάτι, αλλά δεν είναι αυτό το κατάλληλο σημείο να αναφερθώ σε αυτές. Κάποιες λεπτομέρειες της τεχνικής τους μπορείτε να βρείτε στη δημόσια σελίδα της ανάλυσης, ή στο πρόσφατο κείμενο τους στο πλαίσιο ενός συνεδρίου.
Εν τέλει, η μέτρηση δεν είναι εξίσου ακριβής με αυτήν που έχουμε από τα ζεύγη top κουάρκ, αλλά είναι σε κάθε περίπτωση μια απόδειξη της βιωσιμότητας της μεθόδου και μάλιστα ήδη έρχεται σε διαφωνία με μερικά μοντέλα νέας φυσικής. Η μέτρηση της ασυμμετρίας που έγινε συνοψίζεται στο παρακάτω γράφημα, όπου στον οριζόντιο άξονα είναι η μάζα ηρεμίας των δύο b-πιδάκων και ο κάθετος άξονας αντιστοιχεί στην παρατηρούμενη ασυμμετρία φορτίου.
Όπως μπορείτε να δείτε, οι γραμμές σφάλματος είναι αρκετά μεγάλες ώστε να μην επιτρέπουν να βγάλουμε συμπεράσματα ως προς το ποιο από τα μοντέλα που έχουν εξετάστει παρουσιάζει τη μεγαλύτερη συμφωνία με το αποτέλεσμα. Ένα σωματίδιο, το axigluon, θα μπορούσε να επιφέρει διορθώσεις στις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου (οι οποίες φαίνονται στο διάγραμμα με ροζ χρώμα), αλλά η ασυμμετρία που θα προκαλούσε αυτό, επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη μάζα του. Για παράδειγμα, βλέπουμε πως η ασυμμετρία που βρέθηκε διαφωνεί με αυτήν που θα έδινε ένα ελαφρύ axigluon στα 200 GeV (με μπλε), αλλά, αντίθετα, είναι σε συμφωνία με την ασυμμετρία που θα έδινε η ύπαρξη axigluon με μάζα 345 GeV (με μωβ). Επομένως, ένα axigluon μάζας 200 GeV, πράγματι, απορρίπτεται από τα δεδομένα του CDF.
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου