اندازه‌گيري جرم كوارك تاپ انگيزه‌اي براي شتاب‌دهنده‌هاي آينده

كوارك تاپ، به‌عنوان سنگين‌ترين كوارك مدل استاندارد، نقش مهمي در بررسي ساختار برهم‌كنش‌هاي بنيادي و آزمودن سازگاري مدل استاندارد ايفا مي‌كند. از اين رو، اندازه‌گيري دقيق جرم آن يكي از اهداف مهم آزمايش‌هاي فيزيك ذرات در برخورد دهنده‌هاي آينده به شمار مي‌رود. برخورد دهنده‌ٔ دايره‌اي آينده‌ٔ الكترون-پوزيترون، با فراهم‌كردن محيطي تميز و امكان كنترل انرژي مركز جرم، شرايط مناسبي را براي مطالعه‌ٔ دقيق توليد جفت كوارك-‎-پادكوارك تاپ فراهم مي‌كند. در رويكرد نخست، با استفاده از يك نمونهٔ شبيه‌سازي‌شده، جرم كوارك تاپ از طريق محصولات واپاشي تمام‌ هادروني در فرآيند e⁺e⁻ → W⁺W⁻b b̄ استخراج گرديده است. در ابتدا، نمونهٔ رويدادها توليد شده و سپس اثر يك آشكارساز فرضي بر آن اعمال شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه پاسخ آشكارساز فرضي موجب كاهش و تغيير در بازسازي انرژي ‌فواره‌ها مي‌شود و از اين رو، براي دستيابي به بازسازي دقيق جرم كوارك تاپ، تصحيح انرژي فواره‌ها ضروري است. پس از تصحيح انرژي فواره‌ها، كه به‌منظور يك مطالعه‌ٔ امكان‌سنجي انجام شده است، جرم تاپ به‌صورت GeV 172.45 ± 0.14 به‌دست آمده است . در رويكرد دوم، جرم و پهناي واپاشي كوارك تاپ از طريق بررسي سطح مقطع توليد جفت كوارك-‎-پادكوارك در نزديكي آستانهٔ توليد استخراج شده است. براي اين منظور، سطح مقطع توليد در چند نقطهٔ انرژي مركز جرم در اطراف آستانهٔ توليد، با استفاده از نمونه‌هاي شبيه‌سازي‌، تعيين و با منحني‌هاي نظري محاسبه‌شده تا سه مرتبهٔ اختلال كوانتومي، مقايسه شده است. برازش منحني‌هاي نظري به داده‌هاي شبيه‌سازي‌ شده، مقدار 171.5 ± 0.012 GeV را براي جرم كوارك تاپ به‌دست مي‌دهد. از آنجا كه تفسير جرم كوارك تاپ به تعريف جرم و چارچوب نظري مورد استفاده وابسته است، مقايسهٔ جرم‌هاي حاصل از دو رويكرد مذكور، در يك بستر آماري مشترك انجام شد. با در نظر گرفتن عدم‌قطعيت آماري يكسان براي هر دو روش و بررسي وابستگي دقت اندازه‌گيري به درخشندگي كل، نتايج نشان مي‌دهد كه در برخورد دهنده‌هاي آينده مي‌توان اختلاف مركزي ميان جرم‌هاي به‌دست‌آمده از دو روش را به كمتر 0.5 GeV كاهش داد. اين امر امكان بررسي تجربي ارتباط ميان دو تعريف جرم و مطالعهٔ منشأ اختلاف ميان آن‌ها را با دقت بيشتري فراهم مي‌كند.

The top quark, as the heaviest known elementary particle, plays an important role in precision tests of the Stan‎dard Model (SM). Its mass is a fundamental parameter of the SM, an‎d its precise determination provides important information about the consistency of the theory. Future electron-‎-positron colliders offer a clean environment for precision studies of top-quark production an‎d decay. In this thesis, two complementary approaches to determine the top-quark mass at the future circular electron-‎-positron collider )FCCee( are investigated: reconstruction based on the top-quark decay products an‎d the tt ̅ production cross section near the threshold. For the first approach, a simulated fully hadronic e⁺e⁻ → W⁺W⁻b b̄ sample is used to study the reconstruction of the top-quark mass in the presence of a hypothetical detector response. After jet-energy correction an‎d calibration, the top-quark mass is obtained as m_top = 172.45 ± 0.14 GeV In the second approach, simulated tt ̅ production cross sections around the threshold are compared with theoretical predictions based on NRQCD, yielding m_top = 171.5 ± 0.012 GeV Finally, the two mass determinations were compared within a common statistical framework. The results show that, with equal statistical uncertainties, their difference can be reduced to below 0.5 GeV at future colliders, enabling a more precise experimental study of the relation between the two mass definitions an‎d the origin of their difference.

عبيده جعفري

حامد بخشيان

احمد شيرزاد , سعيد پاك طينت مهدي آبادي