Producerer fire topkvarker på én gang for at udforske det ukendte

I flere årtier har partikelfysikere har forsøgt bedre at forstå naturen på de mindste afstande ved at kollidere partikler ved de højeste energier. Mens standardmodellen for partikelfysik med succes har forklaret de fleste af resultaterne fra forsøg, mange fænomener forbliver forbløffende. Dermed, nye partikler, kræfter eller mere generelle begreber skal eksistere, og-hvis partikelfysikkens historie er en indikation-kunne de godt blive afsløret ved højenergigrænsen.

Et lovende testbed for en sådan ny fysik er "fire-top-kvarkproduktion, "en undvigende Standard Model -proces, der endnu ikke er blevet observeret eksperimentelt. I denne produktion, to par topkvarker-de tungest kendte elementarpartikler-skabes samtidigt i en kollision, dermed koncentrere en enorm mængde energi i et enkelt punkt. Dette er så sjældent, at i datasættet med 30 millioner top-kvarkpar analyseret af ATLAS-eksperimentet på CERN til denne undersøgelse, kun omkring 350 kollisioner forventes at have givet fire topkvarker.

ATLAS-samarbejdet har netop frigivet sine seneste resultater på søgningen efter fire-top-kvarkproduktion baseret på proton-protonkollisionsdata indsamlet i 2015 og 2016 ved Large Hadron Collider (LHC). Efterhånden som en topkvark falder, det giver anledning til "endelige tilstande" med enten tre (lettere) kvarker eller en kvark, en neutrino og en ladet lepton. Derfor, begivenheder, hvor fire topkvarker produceres samtidigt, kan have meget forskellige sluttilstandstopologier afhængigt af kombinationen af ​​disse forfald. ATLAS -fysikere analyserede disse topologier individuelt, før de kombinerede dem til det endelige resultat.

Alle disse endelige tilstande er kendetegnet ved tilstedeværelsen af ​​mange meget energiske partikler. Selvom dette gør de fire-top signal signaturer lettere at skelne fra baggrundsprocesser, det gør det også sværere at forudsige, hvor mange baggrundsbegivenheder, der fejlagtigt identificeres som fire-top-kvark-produktion begivenheder. ATLAS -teams implementerede således sofistikerede nye analyseteknikker til at estimere baggrundsmængden i disse "travle" miljøer. I kombination med den fremragende detektorydelse, et resultat med hidtil uset følsomhed blev opnået, eksklusive et signal med en produktionshastighed større end 2,1 gange den hastighed, der er forudsagt af standardmodellen (skal sammenlignes med en faktor 11,6 for den tidligere mest følsomme søgning).

Dataanalysen resulterede i en lille, endnu ikke signifikant fire-top signal på 2,8 standardafvigelser, hvilket giver en observeret øvre grænse på 5,3 gange standardmodellen. Kan dette være et tip eller blot en statistisk udsving? Kun et opdateret resultat ved hjælp af det større tilgængelige datasæt og en endnu smartere analyse kan fortælle.