شکل (۱-۵)- واپاشی کوارک تاپ.
واپاشی: با فرض وجود سه نسل کوارک، بسیار نزدیک به یک است در حالیکه بسیار کوچک است. بنابراین مدل استاندارد پیش ­بینی می­ کند که کوارک تاپ با یک نسبت شاخه­

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

ای^[۱۰] خیلی نزدیک به یک به یک بوزون و یک کوارک واپاشی می­ کند.
نسبت­های شاخه­ای واپاشی تاپ به صورت زیر است:
(۱-۱۹)
نسبت شاخه­ای واپاشی کوارک تاپ به یک جفت کوارک- پاد­کوارک بزرگتر از واپاشی لپتونی است دارد چون هر کوارک دارای سه رنگ می­باشد [۱].
۱-۶-۲ تولید زوج کوارک تاپ از طریق برهم­کنش­های قوی
کوارک تاپ در برخوردهای هادرونی به صورت عمده از برهم­کنش­های قوی ایجاد می­ شود. نابودی کوارک – پادکوارک و همجوشی^[۱۱] گلوئونها دو زیر – فرایند تولید کوارک تاپ از طریق برهم­کنش قوی است. در شکل ۱–۶ دیاگرامهای فاینمن مربوطه آورده شده است.
شکل (۱-۶)- تولید کوارک تاپ در برهم­کنش­های قوی به صورت نابودی کوارک و پاد کوارک و همجوشی گلوئونها.
با بهره گرفتن از مدل پارتونی^[۱۲] می­توان نشان داد که در تواترون سهم نابودی کوارک و پادکوارک و در ، سهم همجوشی گلوئونها غالب است [۱]. در جدول (۱-۱) برای و با توجه به انرژی باریکه، سهم نسبی زیر – فرآیندهای همجوشی گلوئون در بین و و برای تقریبا است که تقریبا برعکس تواترون می­باشد. همچنین در جدول (۱-۲) اندازه ­گیری­های آزمایشگاهی دقیق از سطح مقطع تاپ جمع­آوری شده است [۴].
جدول (۱-۱)- سطح مقطع­های فرآیندهای تولید زوج کوارک تاپ در انرژی­های مرکز جرم متفاوت.
جدول (۱-۲)- از اندازه ­گیری­های آزمایشگاهی تواترون و در این جدول استفاده شده است. عدم قطعیت آماری، سیستماتیک و درخشندگی برای عدم قطعیت کل در ستون آخر اضافه شده است.
۱-۶-۳ فرایند­های تولید کوارک تاپ منفرد
در مدل استاندارد، تولید کوارک تاپ منفرد از طریق برهم­کنش ضعیف رخ می­دهد. در برخورد­­دهنده سه فرایند برای تولید کوارک تاپ منفرد وجود دارد. نمودارهای فاینمن متناظر برای تولید کوارک تاپ منفرد در شکل ۱-۷ نشان داده می­شوند.
شکل (۱-۷)- فرآیندهای تولید کوارک تاپ منفرد.
کانال- بزرگترین چشمه تولید کوارک تاپ منفرد در است که دارای سطح ­مقطع قابل مقایسه با سطح مقطع می­باشد.
کانال- در حالت اولیه این فرایند شریکهای آیزواسپینی کوارک وجود دارد. در حالت نهایی یک کوارک با انرژی بالا و یک کوارک تاپ تولید می­شوند.
کانال- در حالت اولیه این فرایند یک کوارک از دریای کوارکی یک پروتون و یک گلوئون از دریای کوارکی پروتون دیگر می­آیند. محصولات این فرایند یک بوزون حقیقی و یک کوارک تاپ هستند.
سطح مقطع­های تولید کوارک تاپ و پادکوارک تاپ در کانال و در برابر نیستند. از آنجایی که یک ماشین برخورد دهنده پروتون – پروتون می­باشد و پروتون­ها دارای کوارک ظرفیت بیشتر از هستند، کوارک­های تاپ از پادکوارک­های تاپ بیشتر تولید می­شوند [۱]. سطح مقطع­های فرآیندهای تولید کوارک تاپ منفرد در جدول (۱-۳) داده شده است [۴].
جدول (۱-۳)- سطح مقطع­های فرآیندهای تولید کوارک تاپ منفرد با در با انرژی مرکز جرم و و در تواترون با انرژی مرکز جرم .
۱-۷ نقاط ضعف مدل استاندارد
علی رغم سازگاری خوب مدل استاندارد با داده ­های آزمایشگاهی و موفقیتهای پدیده­شناسی آن، هنوز چندین سوال بدون جواب وجود دارد که به تعدادی از آنها اشاره در زیر اشاره می­ شود:
مدل استاندارد قادر به توصیف برهم­کنش­های گرانشی نیست.
در مدل استاندارد نوترینوها بدون جرم­اند. در سال ، شواهدی بر نوسان نوترینوها پیدا کرد که در صورت جرم دار بودن نوترینوها امکان­ پذیر است.
مطابق شواهد اختر­شناسی، ماده تاریک باید شامل ذراتی غیر نسبیتی، خنثی و غیر باریونی و پایدار باشد. ذره­ای با مشخصات فوق در مدل استاندارد وجود ندارد، بنابراین یک نظریه که حاوی کاندیدای مناسبی برای ماده تاریک باشد باید جایگزین شود.
مشکل مرتبه­بندی، به این معنی که یک شکاف بزرگ بین مقیاسی که اتحاد نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف رخ می­دهد و مقیاسی که اثرات گرانش کوانتومی قابل توجه می­ شود وجود دارد.
مدل استاندارد قادر به توضیح عدم تقارن بین ماده­ باریونی و پاد باریونی مورد نیاز برای تشکیل کهکشانها و اجزای ستاره­ای نیست. نظریه­ های ورای مدل استاندارد مانند برای حل این مشکلات مطرح شده ­اند.
تعداد زیادی از فیزیکدانها معتقدند که مدل استاندارد یک نظریه موثر در انرژی پایین است که قسمتی از یک نظریه­ عمومی­تر می­باشد. تعداد زیادی نظریه ورای مدل استاندارد وجود دارد که
فیزیکدانها مشغول بررسی و تحقیق در مورد آنها هستند، مانند مدل استاندارد ابرتقارنی کمینه و نظریه ابعاد اضافی و غیره [۱و۳].
فصل ۲
اثرات فیزیک جدید در تولید
۲-۱ مقدمه
بدلیل جرم زیاد کوارک تاپ که نزدیک به مقیاس شکست تقارن الکتروضعیف است، کوارک تاپ می ­تواند به عنوان پنجره­ای برای ورود به فیزیک جدید باشد. از آنجایی که کوارک تاپ قبل از هادرونیزاسیون واپاشی می­ کند، یک آزمایشگاه منحصر به فرد برای آزمایش رفتار کوارک آزاد است. اکثر ویژگیهای کوارک تاپ مانند جرم، بار در تواترون و بر اساس مشاهده­ تولید زوج کوارک تاپ انداره­گیری شده ­اند. همچنین یک عدم تقارن پس و پیش^[۱۳] بزرگ در تولید از برخوردهای بوسیله­ی و در تواترون اندازه ­گیری شده است. که این عدم تقارن به طور قابل ملاحظه­ای بزرگتر از پیش ­بینی مدل استاندارد است. ما در اینجا پس از بیان انگیزه­ های مطالعه کوارک تاپ، مدلهای فیزیک جدید را که بتوانند این ناهنجاری بزرگ را توضیح دهند مرور می­کنیم. این مدلها می­توانند بر طبق اینکه ذرات فیزیک جدید در کانال یا مبادله می­شوند دسته­بندی شوند. در ادامه­این فصل به طور مختصر راجع به نظریه میدان موثر^[۱۴] که بوسیله آن می­توانیم همه اثرات فیزیک جدید در تولید زوج کوارک تاپ را بیان کنیم مورد مطالعه قرار می­دهیم و به عنوان مثالی آشنا نظریه موثر فرمی و فرایند­های لپتونی انرژی پایین را مورد بحث قرار خواهیم داد.
۲-۲ انگیزه­ های مطالعه­ کوارک تاپ
فرآیندهای تولید کوارک تاپ امکان تحقیق و بررسی بیشتر مدل استاندارد را فراهم می­ کنند و همچنین شانس مطالعه و مشاهده یک فیزیک جدید محتمل را می­ دهند. در زیر تعدادی از دلایل و انگیزه­ های مطالعه­ کوارک تاپ ذکر می­شوند:
سطح مقطع­های فرآیندهای کوارک تاپ با متناسب هستند؛ در واقع فرآیندهای کوارک تاپ تنها راهی هستند که از آنها می­توان به طور مستقیم را اندازه ­گیری کرد .
مدل استاندارد بر اساس گروه پیمانه­ای می­باشد. یک بسط مدل استاندارد می ­تواند یک نظریه با تقارن پیمانه­ای بزرگتر باشد که در انرژیهای پایین به مدل استاندارد تقلیل می­یابد. داشتن گروه پیمانه­ای بزرگتر منجر به داشتن یک بوزون پیمانه­ای اضافی می­ شود. اثر وجود هرگونه بوزون پیمانه­ای جدیدی که بوسیله­ی مدلهای جدید پیش ­بینی شده ­اند در واقعه­های کوارک تاپ ظاهر می­ شود. بوزون پیمانه­ای باردار جدید در سطح مقطع کوارک تاپ شرکت می­ کند و باعث افزایش یا کاهش در سطح مقطع خواهد شد.
کوارک تاپ قبل از فرایند هارونیزاسیون واپاشی می­ کند. بنابراین اطلاعات اسپین تاپ به محصولات واپاشی آن منتقل می­ شود. فرآیندهای تولید کوارک تاپ امکان مطالعه­ قطبش یک کوارک را فراهم می­ کنند.
در مدل استاندارد فقط سه نسل کوارک وجود دارد. اگر این فرض را لغو کنیم و اجازه دهیم که یک نسل چهارم کوارک داشته باشیم، ماتریس باید به یک ماتریس تعمیم داده شود و این می ­تواند باعث انحراف قابل توجه از واحد شود. از آنجاییکه سطح مقطع­های تولید فرایند کوارک تاپ با متناسب هستند، همه فرآیندها به طور قابل توجهی سطح مقطع­های کمتری نسبت به پیش ­بینی مدل استاندارد خواهند داشت.
امکان واپاشی برخی ذرات جدید پیشنهادی به کوارک تاپ مانند، و نسل سوم کوارکهای ابرتقارنی وجود خواهد داشت.
خود کوارک تاپ می ­تواند به ذرات جدید واپاشی کند مثل ذره هیگز در مدلهای فرا­استاندارد [۱].
۲-۳ عدم تقارن پس و پیش
پیش ­بینی مدل استاندارد در مور د تولید زوج کوارک تاپ در برخورد­دهنده هادرونی بجز در عدم تقارن پس و پیش با تجربه سازگار است. بزرگی این عدم تقارن به وسیله رابطه زیر نشان داده می­ شود:
(۲-۱)
که در آن زاویه بین کوارک تاپ و پروتون ورودی در دستگاه مرکز جرم، و تعداد اندازه ­گیری­ها است.
مدل استاندارد را برابر پیش ­بینی می­ کند و آخرین اندازه ­گیری که توسط برای انجام شده است برابر می­باشد و این مقدار با افزایش جرم ناوردای زیاد می­ شود و برای جرم بیشتر از ، برابر است. نیز این مطلب را تایید می­ کند و انداره­گیری شده توسط این آشکارساز برابر گزارش شده است اما این آشکارساز افزایش عدم تقارن با افزایش جرم را مشاهده نکرده است. همچنین افزایش در عدم تقارن را در کانالی که و به صورت نیمه لپتونی واپاشی می­ کنند و یک افزایش دیگر با توجه به افزایش (اختلاف ) را مشاهده کرده است. اما در محاسبات جدید مدل استاندارد عدم تقارن بزرگتری به دست آوردند و در نتیجه اختلاف با اندازه ­گیری­های آزمایشگاهی کمتر شده است [۵]. ما این نتایج را در جدول (۲-۱) جمع­آوری کرده­ایم [۶]. این عدم تقارن که ناشی از عدم تقارن بار در تولید در است می ­تواند این مسئله را روشن کند که آیا در تولید فیزیک جدیدی نقش دارد یا نه و اگر نقش دارد این فیزیک جدید دارای چه ساختاری است.
۲-۳-۱ مدلهای ساده برای عدم تقارن
در اینجا مدلهایی را برای عدم بیان عدم تقارن معرفی می­کنیم. اما نکته­ای که باید به آن توجه کنیم این است که توضیح فیزیک جدیدی که با اندازه ­گیری­های با آن روبرو شدیم یک محدودیت مهم را بوجود می ­آورد و آن این است که سطح مقطع کل در تواترون، است که توافق خوبی با پیش ­بینی مدل استاندارد است، برای مثال و . (این همخوانی حتی در سطح مقطع دیفرانسیلی هم وجود دارد). بنابراین مدلها ضمن داشتن عدم تقارن بزرگ باید سازگاری خود را با سطح مقطع کل تواترون حفظ کنند. برای رسیدن به این هدف باید یکی از دو شرط زیر را رعایت کنند: