At studere topkvarker ved høje og knap så høje energier

CERNs Large Hadron Collider (LHC) er berømt for at kollidere protoner med verdensrekordenergier - men nogle gange kan det betale sig at skrue ned for energien og se, hvad der sker under mindre ekstreme forhold. LHC startede driften i 2010 med en kollisionsenergi på 7 TeV, og kørte med 13 TeV fra 2015 til 2018. Men i en uge i 2017, LHC producerede kollisioner med moderat intensitet ved kun 5 TeV - hvilket gør det muligt for forskere at analysere produktionen af ​​forskellige elementære partikler ved en lavere kollisionsenergi.

En partikel, de især var ivrige efter at studere, var topkvarken. Som den tungeste kendte elementarpartikel, hastigheden (eller tværsnittet) for at producere top-kvark-par afhænger meget af den opnåede kollisionsenergi. Ved at måle produktionshastigheden ved forskellige energier, forskere kan lære mere om fordelingen af ​​kvarker og gluoner, der udgør protonen.

ATLAS-samarbejdet på CERN har udgivet en ny måling af top-quark-parproduktionshastigheden i 5 TeV-dataprøven. Med kun en enkelt uges data, deres endelige måling har en usikkerhed på kun 7,5 %. Denne usikkerhed skyldes primært den meget lille størrelse af 5 TeV dataprøven, med systematiske usikkerheder relateret til kalibreringen af ​​LHC-lysstyrken og den eksperimentelle respons kun på få procent.

Topkvarker henfalder hurtigt og efterlader en tydelig signatur i detektoren. For at se top-par kollisionshændelser, ATLAS-fysikere ledte efter begivenheder med to elektroner, to myoner, eller et elektron-myon-par, en eller to 'b-mærkede' stråler af partikler (kommer fra b-kvark henfald), og en betydelig momentumubalance, der indikerer tilstedeværelsen af ​​en neutrino. Dette valg undertrykker kraftigt baggrundsbegivenheder fra produktionen af ​​andre typer partikler, især i tilfælde af elektron-myon hændelser. I begivenheder med enten to elektroner eller to myoner, der er stadig en stor baggrund fra begivenheder med Z-bosoner at kæmpe med. Fysikere reducerede denne baggrund ved hjælp af de målte energier og vinkler af elektronerne og myonerne, kræver, at deres kombination ikke er i overensstemmelse med, at de stammer fra et Z-boson-henfald.

Den nye måling er vist i plottet i denne artikel (den røde trekant). Tidligere målinger ved højere energier fra elektron-myon-hændelser alene er også inkluderet. Tværsnittet ved 5 TeV er mere end en faktor ti mindre end ved den højeste energi på 13 TeV. Alle målingerne er i fremragende overensstemmelse med teoretiske forudsigelser, som kombinerer teorien om kvantekromodynamik med viden om protonens indre struktur.

Sådanne sammenligninger tjener til at validere forståelsen af ​​proton-proton-kollisioner, og fungere som et springbræt til det næste LHC-løb, der starter i 2022, hvor CERN håber at øge LHC-kollisionsenergien yderligere mod 14 TeV.