25 år siden:En enkelt topkvark samarbejder med Z boson

Et kvart århundrede efter dens opdagelse, fysikere ved ATLAS-eksperimentet på CERN får ny indsigt i den tungest kendte partikel, topkvarken. Den enorme mængde data, der blev indsamlet under kørsel 2 af LHC (2015-2018), har givet fysikere mulighed for at studere sjældne produktionsprocesser af topkvarken i detaljer, herunder dets produktion i forbindelse med andre tunge elementarpartikler.

I et nyt papir, ATLAS Collaboration rapporterer observation af en enkelt topkvark produceret i forbindelse med en Z boson (tZq) ved hjælp af det fulde Run-2 datasæt, derved bekræfter tidligere resultater af ATLAS og CMS ved hjælp af mindre datasæt. For at opnå dette nye resultat, fysikere undersøgte over 20 milliarder kollisionshændelser registreret af ATLAS -detektoren, leder efter begivenheder med tre isolerede leptoner (elektroner eller muoner), en momentum ubalance i planet vinkelret (på tværs) af protonstrålen, og to eller tre jetoner med hadroner, der stammer fra fragmentering af kvarker (med en stråle, der stammer fra en b-kvark). Kun omkring 600 kandidatbegivenheder med en sådan signatur blev identificeret (dvs. signalområdet) og, trods strenge udvælgelseskriterier, kun omkring 120 af dem forventes at komme fra tZq -produktionsprocessen.

For bedst at adskille deres signal fra baggrundsprocesser, ATLAS -fysikere uddannede et kunstigt neuralt netværk til at identificere tZq -hændelser ved hjælp af præcist simulerede data. Det neurale netværk gav hver begivenhed en score (O _NN ), der repræsenterede, hvor meget det lignede signalprocessen. For at kontrollere, at den simulering, der blev givet til det neurale netværk, gav en god beskrivelse af de virkelige data, fysikere kiggede på begivenheder med lignende signaturer (kontrolområder), der er domineret af baggrundsprocesser. Forskellige kinematiske fordelinger af de 600 udvalgte signalregionhændelser blev også kontrolleret.

Forskere vurderede den neurale netværksscore i både signal (figur 1) og kontrolområder, så baggrundsniveauerne kunne begrænses ved hjælp af reelle data. TZq-signalet blev ekstraheret, og hastigheden af ​​sådanne hændelser, der blev produceret i den givne dataprøve (dvs. tværsnittet) blev beregnet. Usikkerheden på det ekstraherede tværsnit er 14%. Dette er over en faktor to mere præcist end det tidligere ATLAS -resultat, som var baseret på næsten fire gange færre data (fra 2015 og 2016). Tværsnittet viste sig at være i overensstemmelse med forudsigelsen fra standardmodellen, bekræfter, at selv de tungeste partikler i standardmodellen stadig opfører sig som punktlignende elementarpartikler.

Yderligere, ved at vælge for hændelser identificeret af det neurale netværk som meget sandsynligt at være tZq -hændelser (O _NN > 0,4), ATLAS -fysikere kunne undersøge, om de kinematiske fordelinger er godt beskrevet af standardmodelberegningerne. Figur 2 viser, at dette faktisk er tilfældet.

Med observation af tZq -produktionsprocessen nu bekræftet, ATLAS -forskere kan forudse sin undersøgelse i endnu større detaljer. Målinger af tværsnittet som funktion af kinematiske variabler gør det muligt for fysikere omhyggeligt at undersøge topkvarkens interaktioner med andre partikler. Vil flere data afsløre nogle uventede funktioner? Glæd dig til at se, hvad naturen gemmer sig i den øverste verden.