Viršutiniai kvarkai (angl. „top“ arba vadinami ir tiesos kvarkais) yra sunkiausios žinomos elementariosios dalelės. Visų kvarkų savybė — jie yra fermionai su sukinio verte (spin) 1/2, o tai reiškia, kad jie laikosi Pauli uždraudimo principo ir negali egzistuoti toje pačioje kvantinės būsenos vietoje tuo pačiu metu. Viršutiniai kvarkai dalyvauja visų keturių fundamentaliųjų sąveikų mechanizmuose: gravitacijoje, elektromagnetizme, stipriojoje jėgoje ir silpnojoje jėgoje. Dėl savo didelės masės top kvarko savybės ypač svarbios Standartinei modeliui ir Higso mechanizmui.

Bazinės savybės

  • Elektrinis krūvis: +2/3 e (kaip ir aukštasis kvarkas šeimoje).
  • Spin: 1/2 (fermionas).
  • Spalva: priklauso stipriajai sąveikai — top kvarkas yra spalvotas (spalvų tripletas pagal kvantinę chromodinamiką).
  • Antidalis: egzistuoja antitop kvarkas (top̄).

Masa ir gyvavimo trukmė

Viršutinio kvarko masė yra labai didelė lyginant su kitomis elementariomis dalelėmis. Tikslią masę nustatė aukštos energijos eksperimentai; pasaulinis vidurkis yra maždaug m_t ≈ 172.76 GeV/c² (su nedidele netikslumu), kas atitinka maždaug 3.08×10−25 kg. Ši masė yra panaši į vieno volframo atomo masę, todėl dažnai daroma palyginimų prielinksnis, kad vienas top kvarkas „sveria“ tiek pat, kiek toks atomas.

Viršutinio kvarko išskirtinumas — labai trumpas gyvavimo laikas. Jo vidutinė gyvenimo trukmė yra maždaug 5×10−25 s (atitinkanti plataus ploto energijos pločio reikšmę Γ ≈ 1–2 GeV), todėl *top* kvarkas suyra greičiau nei spėja sujungti su kitais kvarkais į hadronus. Dėl to jis yra vienintelis kvarkas, kuris praktiškai „neišhadronizuojamas“ — tyrėjai gali stebėti kai kurias jo savybes beveik „nuogai“, be hadronizacijos efektų.

Skyla ir dominuojantys kanalai

Dažniausiai viršutinis kvarkas skyla per silpnąją sąveiką į W bozoną ir apatininį (bottom) kvarką: t → W + b. Šio proceso dalinis dalinio pluošto (branching ratio) santykis yra arti 100 %, nes CKM matricos elementas V_tb yra labai artimas 1. Retesni skilimo kanalai, pavyzdžiui į W + s arba W + d, yra stipriai slopinami.

Gamyba ir stebėjimas eksperimentuose

Top kvarkai gaminami aukštos energijos hadroninių kolizijų metu. Pagrindiniai pagaminimo mechanizmai yra:

  • Porų gamyba (t t̄): daugiausia per gluonų susiliejimą (gluonų jungimą) arba kvarkas–antikvarkas anihiliaciją.
  • Vienetinis top gaminimas: per silpnąją sąveiką (W bosono išmaina), svarbus tyrimams dėl V_tb ir silpnųjų sąveikų savybių.

Pirmą kartą viršutinis kvarkas buvo tiesiogiai atrastas 1995 m. Fermilabe (Tevatron) eksperimentuose CDF ir D0. Vėliau didelis kiekis top kvarkų buvo pagamintas ir išanalizuotas LHC (CERN) eksperimente, leidžiantis atlikti preciziškus matavimus ir ieškoti naujos fizikos už Standartinio modelio ribų.

Fizinė reikšmė ir taikymas teorijoje

Top kvarkas turi ypač didelį Yukava sąsajos parametrą su Higso lauku — jis yra maždaug lygus vienetui. Dėl to top kvarkas žymiai prisideda prie kvantinių ciklinių korekcijų Higso masės ir kitų elektrosilpnųjų parametrų. Dėl didelės masės ir stipraus ryšio su Higso lauku top kvarkas yra svarbus tyrimų objektas ieškant naujų dalelių ar fizikos reiškinių (pvz., top partnerių, papildomų bozonų ar net supersimetrijos signalų).

Eksperimentiniai požymiai

Top kvarko skilimas į W bosoną ir b kvarką lemia įvairias baiginių būsenas, priklausomai nuo to, kaip skyla W bozonas (hadroniškai arba leptoniškai). Dažniausiai nagrinėjami kanalai eksperimentuose yra:

  • lepton+jet (vienas W → lν, kitas hadroniškai) — geras kompromisas tarp signalo ir fono;
  • dilepton (abu W → leptonai) — švarus, bet mažesnis statistinis imtis;
  • visiškas hadroninis kanalas — didelė įvykių dalis, bet didesnis fonas iš QCD procesų.

Apibendrinimas

Viršutinis kvarkas yra unikali Standartinio modelio dalelė: jis pats sunkiausias tarp fermionų, turi trumpiausią gyvenimo trukmę tarp kvarkų ir suyra priešhadronizuojantis. Jo masė, sąveikos su Higso lauku ir vaidmuo aukštųjų energijų fenomenuose daro jį vienu pagrindinių „raktų“ tiek Standartinio modelio patikrai, tiek galimai naujos fizikos paieškai.