ATLAS-eksperiment finder bevis på spektakulær fire-top kvarkproduktion

ATLAS-samarbejdet ved CERN har annonceret stærke beviser for produktionen af ​​fire topkvarker. Denne sjældne standardmodelproces forventes kun at forekomme én gang for hver 70.000 par topkvarker, der er skabt ved Large Hadron Collider (LHC) og har vist sig ekstremt vanskelig at måle.

Topkvarken er den mest massive elementarpartikel i standardmodellen, klokker ind på 173 GeV, hvilket svarer til massen af ​​et guldatom. Men i modsætning til guld, hvis masse for det meste skyldes den nukleare bindende kraft, topkvarken får al sin masse fra interaktionen med Higgs-feltet. Så når fire topkvarker produceres i en enkelt begivenhed, de skaber den tungeste partikelsluttilstand, der nogensinde er set ved LHC, med næsten 700 GeV i alt. Dette er et ideelt miljø til at søge efter ny fysik med endnu ukendte partikler, der bidrager til processen. Skulle de eksistere, fysikere vil se yderligere produktion af fire topkvarker over det, der forudsiges af standardmodellen, yderligere motivere en detaljeret undersøgelse af processen.

I deres nye søgen efter fire-top-kvark produktion, ATLAS-fysikere undersøgte hele Run 2-datasættet optaget mellem 2015 og 2018. Når det blev produceret gennem proton-proton-kollisioner ved LHC, denne proces efterlader spektakulære signaturer i ATLAS-detektoren. De fire topkvarker producerer fire W-bosoner og fire jetfly - kollimerede sprays af partikler - der stammer fra bundkvarker. W-bosonerne så, på tur, hver henfald til to stråler eller en ladet lepton (elektron, myon- eller tau-leptoner) og en usynlig neutrino. Som et sidste skridt, tau leptonerne henfalder til en lettere lepton eller en jetstråle, med yderligere neutrinoer.

For dette resultat, fysikere valgte at fokusere på kollisionsbegivenheder, der producerede to leptoner med samme ladning eller tre leptoner. På trods af at de kun tegner sig for 12 % af alle fire-top-kvark-henfald, disse signaturer er nemmere at skelne fra baggrundsprocesser i ATLAS-detektoren. Detektering af et signal krævede ikke desto mindre en detaljeret forståelse af de resterende baggrundsprocesser og brugen af ​​sofistikerede separationsteknikker.

ATLAS-fysikere trænede en multivariat diskriminant (forstærket beslutningstræ) ved hjælp af signalets distinkte træk, inklusive det høje antal jetfly, deres kvarksmagsoprindelse (bundkvark eller ej) og energierne og vinkelfordelingerne af de målte partikler. De vigtigste baggrundsprocesser, der ligner signalet, stammer fra produktionen af ​​et par topkvarker i forbindelse med andre partikler, såsom en W eller Z boson, en Higgs boson, eller en anden topkvark. Nogle af disse processer er selv først for nylig blevet observeret af ATLAS og CMS Collaborations.

Hver baggrundsproces blev individuelt evalueret, primært gennem dedikerede simuleringer, som inkluderede information fra de bedste tilgængelige teoretiske forudsigelser. De sværeste baggrundsprocesser - top-quark-par-produktionen med en W-boson og baggrunde med falske leptoner - skulle bestemmes ved hjælp af data fra dedikerede kontrolområder. Falske leptoner opstår, når ladningen af ​​en lepton er fejlidentificeret, eller når leptoner kommer fra en anden proces, men tilskrives signalet. Begge skulle være velforståede og præcist evaluerede for at mindske den systematiske usikkerhed om det endelige resultat.

ATLAS målte tværsnittet for produktionen af ​​fire topkvarker til at være 24 ⁺⁷ _–6 fb, hvilket er i overensstemmelse med standardmodellens forudsigelse (12 fb) ved 1,7 standardafvigelser. Signalsignifikansen udgør 4,3 standardafvigelser, for en forventet signifikans på 2,4 standardafvigelser var fire-top-kvarksignalet lig med standardmodellens forudsigelse. Målingen giver stærke beviser for denne proces.

Yderligere data fra den næste LHC-kørsel – sammen med yderligere udvikling af de anvendte analyseteknikker – vil forbedre præcisionen af ​​denne udfordrende måling.