在頂誇克對和暗物質候選者的聯合産生過程中測量頂誇克極化的理論研究進展

誇克是物質組成的基本粒子，就人類目前的認知水平來看，誇克是無法再分割的基本粒子。頂誇克是誇克家族的巨人，其質量與金原子相差無幾，是質子質量的170餘倍。作為構成世界的基石之一，頂誇克在宇宙起源“大爆炸”後廣泛分布在宇宙中。但它異常不穩定，産生後迅速衰變到其他更輕的粒子。時至今日，人們在自然界中已難覓其蹤，隻有借助高能對撞機才能在實驗室中“轟炸”出頂誇克來。在歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)上，兩個質子被加速到接近光速的情況下發生對撞，要經過百萬次的碰撞才有可能觀測到一個頂誇克事例。但頂誇克僅昙花一現就衰變了（其壽命約為10^-25秒），這使得探測工作極具挑戰性。事實上我們隻能通過測量頂誇克的衰變産物們來确定其存在，并進一步測量其極化性質。後者反映了豐富的新物理的結構信息。 但在衆多的新物理模型中，頂誇克對和暗物質候選者們聯合産生。這些暗物質粒子在對撞機上無法直接觀測，因此導緻無法重建出頂誇克的運動學性質，進而導緻傳統的測量頂誇克極化的實驗方法徹底失效。理論物理研究所的曹慶宏研究員及其合作者發明了一種全新的實驗測量方法，可以在不重構頂誇克事例的情況下測量頂誇克的自旋極化。該研究成果發表在物理學領域的頂級刊物《物理評論快報》上 [Physical Review Letters 109, 152004 (2012)]。此工作得到審稿人們的高度評價：“因為已經有大量的頂誇克事例已經在LHC上産生，改進頂誇克極化的測量方法對于LHC物理研究是非常重要的，特别是頂誇克可能是我們和新物理聯系的唯一紐帶。（improved methods for measurement of top quark polarization are crucial for the LHC physics since so many top quarks are being produced as expected and might also be via new physics since the top quark is so massive. The top quark is also possibly uniquely related to unknown fundamental electroweak physics)。”

此工作是曹慶宏研究員近期關于“利用頂誇克極化性質探測TeV能區新物理”的第五篇工作。

這一系列研究[其餘四篇工作分别為PRL 108 (2012) 072002; PRL 106 (2011) 201801; PRD83 (2011) 114026; PRL 105 (2010) 181802] 主要探讨了利用頂誇克極化來探測和甄别不同類型的新物理模型，發展了在有多種不可測粒子的情況下有效地測量頂誇克極化的方法，對圍繞頂誇克尋找新物理具有重要的意義。其中主要合作者張昊博士目前在美國阿貢國家實驗室和伊利諾伊理工大學做聯合博士後。

這一工作得到了國家自然科學基金委“主任基金”的贊助。