ATLAS leverer ny direkte måling af top-quark henfaldsbredde med forbedret præcision

Som den tungeste kendte partikel, topkvarken spiller en nøglerolle i undersøgelser af grundlæggende interaktioner. På grund af sin korte levetid, topkvarken forfalder, før den kan blive til en hadron. Dermed, dets egenskaber bevares og overføres til dets henfaldsprodukter, som igen kan måles i fysiske eksperimenter med høj energi. Sådanne undersøgelser giver et fremragende testgrundlag for standardmodellen og kan give spor til ny fysik.

En vigtig parameter undersøgt af ATLAS Collaboration på CERN er topkvarkens "henfaldsbredde", som er relateret til partikelens levetid og henfaldsmåder. Forfald som følge af ny fysik kan ændre henfaldets bredde, gør dens præcise måling særlig vigtig. I standardmodellen, teoretiske beregninger forudsiger en værdi for henfaldsbredden på 1,32 GeV for en top-kvarkmasse på 172,5 GeV.

ATLAS Collaboration præsenterede en ny måling af bredden af ​​top-quark henfald på Lepton Photon Symposium i Toronto, Canada. Analysen gør brug af det fulde datasæt fra Run 2 the Large Hadron Collider (LHC) - med en tilsvarende integreret lysstyrke på 139 fb ⁻¹ - at levere ATLAS 'bedste præcision endnu.

Den nye analyse tager en direkte tilgang til måling af top-quark henfaldsbredde. ATLAS-fysikere valgte kollisionshændelser, hvor top-kvarkpar forfalder til to ladede leptoner (elektroner eller muoner) af modsat elektrisk ladning. Denne henfaldskanal har en højere renhed af signalhændelser og mindre systematiske usikkerheder sammenlignet med alternative kanaler. ATLAS målte den uforanderlige masse af leptonerne og de resulterende "b-jets" fra top-kvarkforfald observeret i detektoren, for at bestemme top-kvarkens henfaldsbredde.

Den uforanderlige masse af lepton og en b-jet (m _lb ) er følsom over for top-quark henfaldsbredde, men kun når begge stammer fra forfaldet af den samme topkvark. Fysikere brugte et simpelt kriterium, ser på den mindste vinkelafstand mellem den ladede lepton og strålen, for at matche dem med hinanden og rekonstruere deres uforanderlige masser.

Den nye måling af top-quark-henfaldsbredden domineres af systematiske usikkerheder, der hovedsageligt skyldes måling af jet-energier. For at klare disse usikkerheder, ATLAS -fysikere anvendte en ny tilgang til pasformen, der kombinerede skabeloner, repræsenterer forskellige værdier af henfaldsbredden, og en profil-sandsynlighedsteknik, hvor kilderne til systematiske usikkerheder direkte træder i pasformen. Fysikere testede tilpasningsproceduren for at sikre passende stabilitet og robusthed over for statistiske effekter. Ja, test med en fuld systematisk model blev udført for at kontrollere, at proceduren kunne gengive den henfaldsbredde, der forudsiges af standardmodellen, samt eventuelle afvigelser. Denne nyudviklede teknik, kombinerer skabelon og profil-sandsynlighed passer, kan finde anvendelse i andre målinger uden for top-kvarkfysik.

Det nye ATLAS-resultat giver en værdi af top-quark-henfaldsbredden på 1,9 ± 0,5 GeV, i overensstemmelse med standardmodellen. Dette markerer en markant forbedring af præcisionen sammenlignet med tidligere målinger, der analyserede 8 TeV LHC -data.