Only Perception: 費米實驗室對撞實驗發現罕見的單一頂夸克

2009-03-16

費米實驗室對撞實驗發現罕見的單一頂夸克

Fermilab collider experiments discover rare single top quark
http://www.physorg.com/news155816209.html

March 9th, 2009

(PhysOrg.com) -- CDF 與 DZero 共同研究的科學家在美國能源部費米國家加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory，Fermilab）觀察到產生單一頂夸克（single top quarks）的粒子碰撞。單一頂夸克的發現確定了重要的粒子物理學參數，包括夸克的全部數量，而且對於 Fermilab Tevatron 粒子加速器持續進行的 Higgs（希格斯）粒子（譯註：上帝粒子）研究也很重要。該加速器是目前世上運作中最強大的加速器。（譯註：LHC 今年初才會重新啟用）。

先前，只有當頂夸克被強核力（strong nuclear force）產生時，它才能被觀察到。那種交互作用導致一對頂夸克的產生。單一頂夸克的產生，那涉及弱核力且更難透過實驗確認，現在已被觀察到，從頂夸克在 1995 年被發現至今，幾達 14 年。

尋找單一頂夸克的產生使得海底撈針看起來容易多了。每 200 億次質子--反質子對撞只會產生一個單一頂夸克。更糟的是，這些難得出現的訊號很容易被其他「背景」過程仿效，那出現的比例更高。

"單一頂夸克產生的觀察對於 Tevatron 計畫而言是一個重要的里程碑，" Dr. Dennis Kovar 說，美國能源部高能物理科學辦公室的加速器主任。"此外，這種高度敏感與成功的分析在 Higgs 研究中是很重要的一步。"

發現單一頂夸克產生所呈現出來的挑戰，與 Higgs 玻色子搜尋中，需要從非常龐大的背景中得到極微小的訊號頗為類似。為單一頂夸克發現所開創的先進的分析技術，現用於 Higgs 玻色子的研究。此外，單一頂夸克與 Higgs 訊號具有相同的背景，同時單一頂夸克本身就是 Higgs 粒子的一種背景。

為了發現單一頂夸克， CDF 與 DZero 共同研究的物理家花費多年時間，分別將他們的實驗所記錄之質子--反質子對撞的結果獨立結合。每個團隊確認數千次碰撞事件，那看起來像實驗者所預期的，可能有單一頂夸克的事件會出現。複雜的統計分析與詳盡的背景塑模（modeling）證明，有數百次碰撞事件產生了真正的東西。在 3/4，兩團隊遞交他們的獨立結果到 Physical Review Letters。

這二項共同研究早先已報告單一頂夸克的初步研究結果。自此之後，實驗者分析超過二倍以上的資料量，並提升選擇與分析技術，使這項發現成為可能。對每一次實驗而言，背景事件有假訊號的可能性，現在僅剩近四百萬分之一，讓二邊人馬能宣稱一種真實的發現，那為更多發現鋪路。

"我為 CDF 與 DZero 達成這項目標感到非常興奮，" 費米實驗室主任 Pier Oddone 表示。"這二項共同研究在過去十五年來尋找這種罕見的過程，在頂夸克於 1995 年被發現之前開始。更加詳盡研究這些次原子過程也許為標準模型背後的物理現象開啟了一扇窗。"

※ 相關報導：

＊ The Particle Adventure
http://particleadventure.org/

＊ Search for High-Mass Resonances Decaying to Dimuons at CDF
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.091805