Zoomer ind på top-quark produktion

Som den tungeste kendte elementarpartikel, topkvarken har en særlig plads i den fysik, der studeres ved Large Hadron Collider (LHC) ved CERN. Top-kvark-antikvark-par produceres rigeligt i kollisioner optaget af ATLAS-detektoren, giver et rigt testgrundlag for teoretiske modeller af partikelkollisioner ved de højest tilgængelige energier. Eventuelle afvigelser mellem målinger og forudsigelser kan pege på mangler i teorien - eller første antydning af noget helt nyt.

ATLAS Collaboration har udgivet en ny præcis måling af den samlede hastighed – eller "tværsnit" – af top-quark-par produktion på LHC. Målingen bruger hændelser, hvor en topkvark henfalder til en elektron (e), en neutrino og en b-kvark, mens den anden henfalder til en myon (µ), en neutrino og en b-kvark. Dette skaber en slående signatur i detektoren, giver fysikere mulighed for at indsamle en meget ren prøve af begivenheder med meget lidt baggrund. På trods af at de kun tegner sig for 2 procent af henfald af top-quark-par, ATLAS-fysikere undersøgte over 230, 000 eµ-begivenheder indsamlet i 2015-2016 under kørsel 2 af LHC ved 13 TeV.

Det nye resultat giver en måling af top-kvark-par-tværsnittet på 826 ± 20 picobarns, altså en usikkerhed på kun 2,4 procent. Dette stemmer godt overens med de nyeste teoretiske forudsigelser, og slutter sig til tidligere præcise ATLAS-målinger, der brugte 7 og 8 TeV-data (figur 1). Denne fremragende præcision er tak, for en stor del, til detektorens fremragende rekonstruktion af de resulterende leptoner (elektroner og myoner).

ATLAS' nye præcise måling af top-kvark-par-tværsnittet er også blevet brugt til at fastlægge flere parametre – herunder top-kvark-massen til m _t =173,1 ± 2,1 GeV – og for at begrænse de "partonfordelingsfunktioner", der kendetegner protonens indre struktur med hensyn til dens konstituerende kvarker og gluoner.

De producerede leptoners energier og vinkelfordelinger (dvs. deres "kinematik") er også blevet målt præcist. Disse blev sammenlignet med forudsigelser fra forskellige "begivenhedsgenerator"-programmer, bruges til at modellere top-quark begivenheder på LHC. ATLAS-fysikere bemærkede flere uoverensstemmelser, peger på behovet for mere præcise teoretiske beregninger for bedre at beskrive de observerede leptonmomentumfordelinger.

Går man et skridt videre, endnu et nyt ATLAS-resultat dykkede dybere ned i kinematik af selve topkvarkerne. For første gang i ATLAS, hastigheden af ​​top-kvark-par produktion er blevet målt som funktion af to kinematiske variabler samtidigt (2D distributioner, se figur 2).

For at opnå dette, fysikere udvalgte top-kvark-par begivenheder, hvor en top kvark henfalder til en lepton, en neutrino og en b-kvark, mens den anden henfalder til et b-kvark og kvark-antikvark par. Undersøgelser af denne endelige tilstand, omtalt som "single-lepton" kanal, gjorde det muligt for ATLAS-hold at rekonstruere mere præcist kinematik af top-kvark-parret, herunder i tilfælde hvor der produceres "boostede" topkvarker med ekstremt højt tværgående momentum i forhold til kollisionsaksen. Disse er af nøgleinteresse for nye fysiksøgninger, da massive eksotiske partikler kan henfalde til to stærkt boostede topkvarker.

Fysikere sammenlignede de målte fordelinger med de seneste teoretiske beregninger, med forbedrede produktionshastighedsestimater i regimer med højt momentum. Resultaterne viser, at teoretiske beregninger forudsiger flere topkvarker ved meget høj momentum, end der observeres (figur 3). Dette bekræfter og forbedrer i forhold til tidligere målinger offentliggjort af både ATLAS- og CMS-eksperimenterne. I øvrigt, takket være formen på 2D-fordelingen, top-kvark-par produktionshastigheden som funktion af den invariante masse og top-kvark tværgående momentum kan bruges til fremtidige målinger for at måle top-kvark massen.

Taget sammen, disse to nye resultater giver et væld af data for at forbedre vores forståelse af top-kvark-par produktion, og for yderligere at fastlægge egenskaberne af denne tunge partikel.