Oven på topkvarken - nye ATLAS -eksperimentresultater

Fysikere fra ATLAS -eksperimentet på CERN har præsenteret spændende nye resultater på det tiende internationale værksted om Top Quark Physics (TOP2017), afholdt i Braga (Portugal). Konferencen samlede eksperimentelle og teoretiske fysikere med speciale i den tungest kendte elementarpartikel:topkvarken.

ATLAS offentliggjorde seks nye resultater for TOP2017, dækker alle områder inden for topkvarkfysik, herunder præcisionsmålinger i et top-quark-par og enkelte top-quark-begivenheder, søger efter nye koblinger af topkvarken, og målinger af egenskaberne af topkvarken, især dens masse.

Single eller Double?

Topkvarker i LHC-proton-protonkollisioner produceres overvejende i par, med en topkvark og en topantiquark. ATLAS præsenterede de første topkvarkpar-tværsnitsmålinger som en funktion af flere variabler, der beskriver de kinematiske egenskaber ved interaktionen og af de enkelte topkvarker ("differentielle" målinger). Disse målinger brugte hændelser, der kun indeholder jetfly, og ingen ladede leptoner eller neutrinoer. Normalt, sådanne begivenheder ville blive overvældet af andre, mere dagligdags og meget mere rigelige processer, såsom stærke interaktioner, der involverer produktion af gluoner eller lettere kvarker. Imidlertid, ved at fokusere på energiske jetfly, inden i hvilke forfaldsprodukterne fra topkvarken ligger, det nye ATLAS -resultat opnår den bedste præcision endnu for denne endelige tilstand.

Enkeltopkvarker produceret gennem den svage interaktion er også svære at identificere, især når topkvarken produceres i forbindelse med en W boson (tW), som lider af meget store baggrunde fra topkvarkpar -produktion. På trods af disse eksperimentelle udfordringer, ATLAS-samarbejdet frigav den første differentielle tværsnitsmåling af tW-produktion, ved hjælp af det fulde datasæt indsamlet i 2015 og 2016. Målingen er generelt i overensstemmelse med flere forudsigelser, det viser imidlertid, at dataene har en tendens til at have lidt flere begivenheder med høj-momentum-endelige objekter.

Den tungeste af alle

Selvom topkvarken blev opdaget for over 30 år siden, mange af dets egenskaber måles først for nylig med høj præcision. Nøglen til enhver undersøgelse er den øverste kvarkmasse, som giver afgørende information, der bruges til at vurdere standardmodellens interne konsistens og endda har konsekvenser for universets skæbne.

Eksperimenter står over for mange udfordringer, når man måler topkvarkmassen med høj præcision. Identifikation af dets flere henfaldsprodukter kræver præcisionsmålinger i alle dele af ATLAS -detektoren; udsøgt modellering af den topproducerende kollisionshændelse og dens efterfølgende udvikling er også afgørende.

En ny ATLAS -måling af topkvarkmassen undersøgte omkring 36, 000 topkvarkpar -begivenheder registreret i 2012 og målte topkvarkmassen med en præcision på ± 0,91 GeV. Når denne måling kombineres med andre ATLAS topkvarkmassemålinger, præcisionen når ± 0,5 GeV, eller 0,3%, som konkurrerer med de bedste kombinerede resultater fra andre forsøg.

Flytter toppen fremad

Topkvarken er også et unikt laboratorium til undersøgelse af farveaspektet ved stærke interaktioner. "Farve" angiver ladningen for den stærke interaktion. ATLAS præsenterede målinger, der var følsomme over for denne farvestruktur, ved at se på, i hvilken grad to stråler er orienteret mod hinanden. En anden observerbar, den såkaldte topkvarkladningsasymmetri (hvor meget topkvarken er på linje med stråleretningen i forhold til den øverste antiquark) er også meget nyttig til at teste subtile træk ved den stærke interaktion og kunne afsløre tilstedeværelsen af ​​fysik ud over standardmodellen.

ATLAS kombinerede sine målinger af topladningsasymmetri med CMS -samarbejdets mål for at mindske usikkerheden og opnå et mere præcist resultat end nogen tidligere måling. Dette er den første fælles ATLAS-CMS-publikation relateret til topkvarkfysik og er et symbol på den kooperative karakter af højenergifysik, der også blev understreget på TOP2017.

Aldrig - næsten?

Topkvarken er også et unikt værktøj til direkte at søge efter nye fysikudvidelser af standardmodellen. Topkvarkens henfald til en Z boson og en let kvark gennem en såkaldt smagsskiftende neutralstrøm (FCNC), som er forbudt i standardmodellen, forudsiges af teorier som supersymmetri eller ekstra dimensioner. Ved hjælp af de 13 TeV -datasæt indsamlet i 2015 og 2016, der er ikke fundet nogen FCNC -interaktioner, og ATLAS har sat de hidtil strengeste grænser for denne proces.

Alle disse spændende nye resultater baner vejen for yderligere detaljerede undersøgelser af topkvarken med de større datasæt, der forventes fra LHC i Run 2 og senere. ATLAS -samarbejdet ser frem til fortsatte frugtbare diskussioner mellem teoretikere og eksperimentelle om dets målinger.