在顶夸克对和暗物质候选者的联合产生过程中测量顶夸克极化的理论研究进展

夸克是物质组成的基本粒子，就人类目前的认知水平来看，夸克是无法再分割的基本粒子。顶夸克是夸克家族的巨人，其质量与金原子相差无几，是质子质量的170余倍。作为构成世界的基石之一，顶夸克在宇宙起源“大爆炸”后广泛分布在宇宙中。但它异常不稳定，产生后迅速衰变到其他更轻的粒子。时至今日，人们在自然界中已难觅其踪，只有借助高能对撞机才能在实验室中“轰炸”出顶夸克来。在欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)上，两个质子被加速到接近光速的情况下发生对撞，要经过百万次的碰撞才有可能观测到一个顶夸克事例。但顶夸克仅昙花一现就衰变了（其寿命约为10^-25秒），这使得探测工作极具挑战性。事实上我们只能通过测量顶夸克的衰变产物们来确定其存在，并进一步测量其极化性质。后者反映了丰富的新物理的结构信息。 但在众多的新物理模型中，顶夸克对和暗物质候选者们联合产生。这些暗物质粒子在对撞机上无法直接观测，因此导致无法重建出顶夸克的运动学性质，进而导致传统的测量顶夸克极化的实验方法彻底失效。理论物理研究所的曹庆宏研究员及其合作者发明了一种全新的实验测量方法，可以在不重构顶夸克事例的情况下测量顶夸克的自旋极化。该研究成果发表在物理学领域的顶级刊物《物理评论快报》上 [Physical Review Letters 109, 152004 (2012)]。此工作得到审稿人们的高度评价：“因为已经有大量的顶夸克事例已经在LHC上产生，改进顶夸克极化的测量方法对于LHC物理研究是非常重要的，特别是顶夸克可能是我们和新物理联系的唯一纽带。（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)。”

此工作是曹庆宏研究员近期关于“利用顶夸克极化性质探测TeV能区新物理”的第五篇工作。

这一系列研究[其余四篇工作分别为PRL 108 (2012) 072002; PRL 106 (2011) 201801; PRD83 (2011) 114026; PRL 105 (2010) 181802] 主要探讨了利用顶夸克极化来探测和甄别不同类型的新物理模型，发展了在有多种不可测粒子的情况下有效地测量顶夸克极化的方法，对围绕顶夸克寻找新物理具有重要的意义。其中主要合作者张昊博士目前在美国阿贡国家实验室和伊利诺伊理工大学做联合博士后。

这一工作得到了国家自然科学基金委“主任基金”的赞助。