دانشکده علوم

بخش فیزیک

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

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                             صفحه

فصل اول: مقدمه………………………………………………………………………………………5

فصل دوم: مدل استاندارد و نظریه الکتروضعیف……………………………………………………………………………9

1–2  مدل استاندارد ……………………………………………………………………………………………………………………………..10

2-2 نظریه الکتروضعیف ……………………………………………………………………………………………………………………….17

3-2 مکانیسم Higgs و ماتریس CKM ……………………………………………………………………………………………..22

4-2 اندازه­گیری عنصر ماتریسی …………………………………………………………………………………………………25  

فصل سوم: تولید کوارک t بصورت زوج و منفرد از دیدگاه نظریه میدان و پدیده شناسی…………26

1-3 تولید زوج کوارک t ……………………………………………………………………………………………27

2-3 تولید تک کوارک t …………………………………………………………………………………………………29

1-2-3  فرآیند کانال t یا گداخت  w-gluon……………………………………………………………………………………….31

2-2-3  فرآیند کانال s ………………………………………………………………………………………………………………………….33

3-2-3  فرآیند  تولید وابسته ………………………………………………………………………………………………………………..36

 فصل چهارم: تک کوارک t در Tevatron و   LHC……………………………………………………………………37

1-1-4  برخورددهنده  Tevatron……………………………………………………………………………………………………….38

2-1-4  برخورددهنده بزرگ هادرونی ( LHC) ………………………………………………………………………………….39

1-2-4  مشاهده تک کوارک t در Tevatron ……………………………………………………………………………………..41

2-2-4  مشاهده تک کوارک t در LHC ……………………………………………………………………………………………..43

3-2-4  سطح مقطع …………………………………………………………………………………………………44

3-4  سطح مقطع تولید تک کوارک t در Tevatron  و LHC …………………………………………………………47 

1-3-4  سطح مقطع تولید تک کوارک t درTevatron  …………………………………………………………………….48

2-3-4  سطح مقطع تولید تک کوارک t درLHC  ……………………………………………………………………………..49

 فصل پنجم: محاسبه سطح مقطع تولید تک کوارک تاپ………………………………………………………….53

1-1-5  محاسبه سطح مقطع پارتونی ………………………………………………………………………………………………….54

2-1-5  سطح مقطع فرآیند  Wb t ………………………………………………………………………………………………..57

3-1-5  قواعد فاینمن برای نظریه الکتروضعیف ………………………………………………………………………………….58

4-1-5  متغیرهای ناوردای مندل استام ………………………………………………………………………………………………59

5-1-5 روابط پایستگی انرژی و تکانه …………………………………………………………………………………………………..60

6-1-5 محاسبه متغیرهای ناوردای مندل استام ………………………………………………………………………………….61

7-1-5   محاسبه دامنه پراکندگی M ………………………………………………………………………………………………….64

8-1-5 محاسبه سطح مقطع دیفرانسیلی در چارچوب مرکز جرم ……………………………………………………67

9-1-5 سطح مقطع کل فرآیند …………………………………………………………………………………………………………….71

10-1-5  نمودارهای موثر در تشکیل فرآیند ……………………………………………………………………………………….73

1-2-5 توابع توزیع پارتونی)  PDF ( …………………………………………………………………………………………………76

2-2-5 بررسی نمودارهای توزیع پارتونی درون پروتون ………………………………………………………………………79

3-2-5 مقدار عددی سطح مقطع کل ………………………………………………………………………………………………….81

4-2-5   بسته LHAPDF ………………………………………………………………………………………………………………..83

فصل ششم: مقایسه نتایج این رساله با نتایج LHC در ……………………………………85

فصل هفتم: فهرست منابع و مراجع……………………………………………………………………………………………….88

پیوست ……………………………………………………………………………………………….91

مقدمه

  هدف از فیزیک ذرات بنیادی بحث روی اجزاء بنیادی ماده، انرژی و برهم کنش میان آنهاست. درک   نظری کنونی، در مدل استاندارد[1]  فیزیک ذرات بنیادی خلاصه شده است.­­ این مدل از زمان کشف آن در سال 1960 تا به امروز تمام آزمون های تجربی را با موفقیت گذرانده است. این مدل دو نوع ذره را معرفی می­کند: 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 [2]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 می­کنند، در حالی که در چگالی انرژی­های بالای قابل مقایسه با  اولین لحظات پس از انفجار بزرگ نقش مهمی  ایفا می­کنند. 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 1995 با آزمایش­های  D0  و[5]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 ، 40 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[6] آن با بوزون هیگز[7] نزدیک 1 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 در1977 پیش بینی کرده بود.

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

تصحیحات تابشی وارد می­کند. 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 می­کند، 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 می­تواند 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 اندازه­گیری مستقیم عنصر ماتریسی CKM ، ، را فراهم می­کند بویژه جالب توجه است. تولید تک کوارکt  فرصت بسیار خوبی برای مطالعه برهم­کنش  جریان باردار ضعیف فراهم می­کند. اندازه­گیری 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  می­پردازد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.