سایت تخصصی پایان نامه های دانشگاهی

پایان نامه کارشناسی ارشد رشته فیزیک-گرایش ذرات بنیادی و انرژی بالا

عنوان:

مطالعه مشاهده پذیری رویدادهای تک کوارک تاپ

توسط:

زینب بزرگ تبار

اساتید راهنما:

دکتر سید محمد زبرجد

دکتر مجید هاشمی

اساتید مشاور:

دکتر فاطمه فلاحتی

دکتر عزیزاله عزیزی

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                             صفحه

فصل اول: مقدمه.۵

فصل دوم: مدل استاندارد و نظریه الکتروضعیف.۹

۱–۲  مدل استاندارد .۱۰

۲-۲ نظریه الکتروضعیف ۱۷

۳-۲ مکانیسم Higgs و ماتریس CKM .22

۴-۲ اندازه ­گیری عنصر ماتریسی .۲۵  

فصل سوم: تولید کوارک t بصورت زوج و منفرد از دیدگاه نظریه میدان و پدیده شناسی۲۶

۱-۳ تولید زوج کوارک t .27

۲-۳ تولید تک کوارک t .29

۱-۲-۳  فرآیند کانال t یا گداخت  w-gluon31

۲-۲-۳  فرآیند کانال s .33

۳-۲-۳  فرآیند  تولید وابسته ۳۶

 فصل چهارم: تک کوارک t در Tevatron و   LHC37

۱-۱-۴  برخورددهنده  Tevatron38

۲-۱-۴  برخورددهنده بزرگ هادرونی ( LHC) 39

۱-۲-۴  مشاهده تک کوارک t در Tevatron 41

۲-۲-۴  مشاهده تک کوارک t در LHC .43

۳-۲-۴  سطح مقطع .۴۴

۳-۴  سطح مقطع تولید تک کوارک t در Tevatron  و LHC 47 

۱-۳-۴  سطح مقطع تولید تک کوارک t درTevatron  .۴۸

۲-۳-۴  سطح مقطع تولید تک کوارک t درLHC  .۴۹

 فصل پنجم: محاسبه سطح مقطع تولید تک کوارک تاپ.۵۳

۱-۱-۵  محاسبه سطح مقطع پارتونی ۵۴

۲-۱-۵  سطح مقطع فرآیند  Wb t 57

۳-۱-۵  قواعد فاینمن برای نظریه الکتروضعیف ۵۸

۴-۱-۵  متغیرهای ناوردای مندل استام ۵۹

۵-۱-۵ روابط پایستگی انرژی و تکانه .۶۰

۶-۱-۵ محاسبه متغیرهای ناوردای مندل استام ۶۱

۷-۱-۵   محاسبه دامنه پراکندگی M 64

۸-۱-۵ محاسبه سطح مقطع دیفرانسیلی در چارچوب مرکز جرم ۶۷

۹-۱-۵ سطح مقطع کل فرآیند ۷۱

۱۰-۱-۵  نمودارهای موثر در تشکیل فرآیند ۷۳

۱-۲-۵ توابع توزیع پارتونی)  PDF ( .76

۲-۲-۵ بررسی نمودارهای توزیع پارتونی درون پروتون .۷۹

۳-۲-۵ مقدار عددی سطح مقطع کل ۸۱

۴-۲-۵   بسته LHAPDF 83

فصل ششم: مقایسه نتایج این رساله با نتایج LHC در ۸۵

فصل هفتم: فهرست منابع و مراجع.۸۸

پیوست .۹۱

مقدمه

  هدف از فیزیک ذرات بنیادی بحث روی اجزاء بنیادی ماده، انرژی و برهم کنش میان آنهاست. درک   نظری کنونی، در مدل استاندارد[۱]  فیزیک ذرات بنیادی خلاصه شده است.­­ این مدل از زمان کشف آن در سال ۱۹۶۰ تا به امروز تمام آزمون های تجربی را با موفقیت گذرانده است. این مدل دو نوع ذره را معرفی می­ کند: ذرات ماده و ذرات نیرو: ذرات نیرو مسئول واسطه برهم کنش های بین ذرات ماده هستند. 

   ­در حالی که ماده معمولا تنها شامل الکترون­ها، پروتون­ها و نوترون­هاست ( دو مورد آخر متشکل از کوارک­های [۲]d و u[3] هستند) ذرات بنیادی دیگری با آزمایش کشف و یا توسط نظریه پیش بینی شدند. این ذرات صرفا نقشی جزیی در زندگی روزمره بازی می­ کنند، در حالی که در چگالی انرژی­های بالای قابل مقایسه با  اولین لحظات پس از انفجار بزرگ نقش مهمی  ایفا می­ کنند. برای بدست آوردن این شرایط به تولید ذرات بنیادی در یک محیط کنترل شده نیاز داریم، شتاب­دهنده­های ذراتی که استفاده می­شوند. کوارکt [4] سنگین­ترین ذره بنیادی شناخته شده و آخرین کوارک مدل استاندارد است، و اولین کشف آن در سال ۱۹۹۵ با آزمایش­های  D0  و[۵]CDF در Tevatron انجام شد. 

این ذره آخرین کوارک مدل استاندارد بوده و بسیاری از ویژگی­های آن همچنان مورد مطالعه قرار می­گیرد، به عبارت دیگر، فیزیک کوارک t هنوز یک زمینه پژوهشی گسترده محسوب می­شود.

 از آنجایی که این ذره سنگین­ترین ذره بنیادی شناخته شده است، از موقعیت ویژه­ای در مدل استاندارد برخوردار است. در واقع کوارک t ، ۴۰ بار از  شریک ایزواسپین ضعیف خود یعنی b سنگین­تر است و جرم آن قابل مقایسه با مقیاس شکست تقارن الکترو ضعیف است، همچنین جفت شدگی یوکاوا[۶] آن با بوزون هیگز[۷] نزدیک ۱ است.

کشف کوارک t موفقیت بزرگ مدل استاندارد است. مدل استاندارد وجود این ذره را به عنوان شریک ایزواسپین ضعیف برای کوارک b قبلا در زمان کشف آن در۱۹۷۷ پیش بینی کرده بود.

در عوض اندازه ­گیری خصوصیات  t محدودیت­های بیشتری را بر سایر ذرات از جمله بوزون هیگز اعمال می­ کند. برای مثال، جرم زیاد این ذره سهم­های بزرگی را در حلقه­های مجازی فرمیونی از

تصحیحات تابشی وارد می­ کند. به دلیل جرم سنگین کوارک t، در برخورد­دهنده­های ذراتی که به انرژی­های مرکز جرم بالا دست می­یابند تولید این ذره لازم می­شود. انتظار می­رود که برخورد دهنده هادرونی بزرگ (LHC) [8] در CERN، پروتون­ها را با انرژی مرکز جرم TeV 14  برخورد داده و میلیون­ها رویداد t را در سال متعهد شود. چون زمان واپاشی این کوارک از زمان هادرونی شدن آن کوتاه­تر است کوارک t تنها کوارکی است که پیش از هادرونی شدن واپاشی می­ کند، بنابر­این طول عمر کوتاه این ذره فرصتی برای مشاهده قطبش آن در تولید فراهم کرده و همچنین می­توان از آن برای بررسی خصوصیات یک کوارک   bareاستفاده نمود. تمام این ویژگی­ها  گویای این می­باشد که کوارک t می ­تواند نقش استثنایی در مدل استاندارد داشته باشد.

کوارک t عمدتا از راه برهم­کنش قوی بصورت زوج تولید می­شود. تولید زوج این ذره در برخورد­دهنده­های هادرونی فرآیند غالب است. با این حال در LHC علاوه بر این، تعداد قابل ملاحظه­ای از کوارک­های t از راه برهم­کنش ضعیف به تنهایی تولید می­شوند. مطالعه این کانال  به دلیل حساسیت بالای آن به کشف فیزیک جدید و نیز از آنجایی که تنها کانالی است که اندازه ­گیری مستقیم عنصر ماتریسی CKM ، ، را فراهم می­ کند بویژه جالب توجه است. تولید تک کوارکt  فرصت بسیار خوبی برای مطالعه برهم­کنش  جریان باردار ضعیف فراهم می­ کند. اندازه ­گیری سطح مقطع تولید تک کوارک t در Fermilab Tevatron و  (LHC)    CERNطراحی شده است.

در این رساله به بررسی رویدادهای تولید کوارک t از راه کانال t برای محاسبه سطح مقطع تولید آن می­پردازیم. در فصل دوم، خلاصه کوتاهی از مدل استاندارد با حضور کوارک t در این مدل همراه با شرح اهمیت وجایگاه این ذره و نیز نظریه الکتروضعیف ارائه خواهد شد. در فصل سوم، تولید کوارک t به دو صورت تک و زوج از دیدگاه نظریه میدان و پدیده شناسی شرح داده خواهد شد. فصل چهارم شامل بررسی سطح مقطع و روش مشاهده تک کوارک t در Tevatron و LHC خواهد بود. بخش اول فصل پنجم به محاسبه سطح مقطع پارتونی در تولید تک کوارک t پرداخته و در بخش دوم تابع توزیع پارتون­ها اعمال می­شود. فصل ششم به مقایسه نتایج بدست آمده با نتایج LHC در  می ­پردازد.