ATLAS-eksperiment måler top-kvarkpolarisering

Enestående blandt sine jævnaldrende er topkvarken - en fascinerende partikel, som det videnskabelige samfund har studeret i detaljer siden 90'erne. Dens store masse gør den til den eneste kvark, der henfalder, før den danner bundne tilstande (en proces kendt som hadronisering) og giver den den stærkeste kobling til Higgs-bosonen. Teoretikere forudsiger, at det også kan interagere stærkt med nye partikler - hvis det gør det, Large Hadron Collider (LHC) er det ideelle sted at finde ud af, da det er en "top-quark fabrik."

Mens de fleste topkvarker produceres i par på LHC, kollisioner vil lejlighedsvis producere enkelt top kvarker. LHC kasserede mere end 42 millioner single top kvarker i løbet af sin imponerende Run-2 dataoptagelsesperiode (2015-2018). I modsætning til top-quark-par produktion, single top kvarker produceres altid via venstrehånds elektrosvage interaktion. Dette påvirker den producerede topkvarks spinretning, og til gengæld spin af dets henfaldsprodukter. Ved at studere enkeltproducerede topkvarker, fysikere er i stand til at undersøge i hvilken grad en topkvarks spin er justeret i en given retning (dens polarisering). Denne parameter er særligt følsom over for nye fysikeffekter. I et nyt resultat præsenteret af ATLAS Collaboration, fysikere har målt - for første gang - de fulde polarisationsvektorer for både topkvarker og antikvarker.

Storm i en t-kanal

Blandt de forskellige mekanismer, der bidrager til single-top-quark produktion, "t-kanalen" dominerer ved LHC. I t-kanalen, en topkvark henfalder sammen med en anden partikel, kendt som en "tilskuerkvark". Denne tilskuer er afgørende for at måle topkvarkens polarisering, da dets bevægelsesretning forventes at falde sammen med top-quark spin-retningen - i det mindste, det meste af tiden. Dette er ikke altid tilfældet; yderligere, spin-retningen bør være forskellig mellem topkvarker og antikvarker.

For fuldt ud at forstå denne adfærd, ATLAS-fysikere satte sig for at måle den fulde topkvark- og antikvarkpolarisationsvektor. Først, de skulle skelne mellem topkvarker produceret i t-kanalen og andre processer, der efterlader den samme signatur i detektoren. Forskere søgte deres kollisionsbegivenheder efter de karakteristiske træk ved t-kanalen; nemlig begivenheder med to jetfly i den endelige tilstand (tilskuerkvarken og bundkvarken fra topkvarkens henfald) eller en tilskuerkvark med stor pseudorapiditet. Deres resulterende udvalg er ret rent i t-kanals enkeltproducerede topkvarker.

Efter dens produktion, topkvarken henfalder næsten udelukkende til en W-boson og en bundkvark. W-bosonen vil yderligere henfalde til et par kvarker (hadronisk kanal) eller en lepton og en neutrino (leptonisk kanal). Den leptoniske kanal er særlig interessant for fysikere, da leptonens vinkelfordelinger er tæt forbundet med topkvarkens spin. Nye resultater fra ATLAS Collaboration udnytter denne funktion til at give - for første gang - de fulde polarisationsvektorer for både topkvarker og antikvarker (se figur 1). Der er en enorm grad af polarisering i retning af tilskuerkvarkens jet for topkvarker, og mod den retning for topantikvarker.

Desuden, ATLAS-fysikere målte topkvarkens differentielle tværsnit som en funktion af disse vinkelfordelinger. Deres målinger er tilvejebragt på en sådan måde, at de direkte kan sammenlignes med nuværende og fremtidige teoretiske forudsigelser. Figur 2 viser en af ​​de tre differentielle tværsnitsmålinger af t-kanalproduktionen som funktion af vinkelfordelingerne af den ladede lepton. Resultaterne er i overensstemmelse med standardmodellens forudsigelser.

Operatør! Få mig ny fysik på banen

ATLAS' nye analyse gør også et vigtigt indhug i søgen efter fænomener ud over Standardmodellen. I særdeleshed, nye partikler, der ikke kan produceres direkte ved LHC, vil stadig have en betydelig effekt på fordelingen målt i denne analyse. At studere disse giver forskerne en modeluafhængig måde at beskrive mulige afvigelser fra de teoretiske forudsigelser i form af operatorer, som er nul i standardmodellen.

Helt konkret, ATLAS-forskere kiggede på "OtW-dipoloperatoren." Denne operatør har både en reel og en imaginær del; sidstnævnte er af særlig interesse, da det ikke er tilgængeligt i top-pair-produktion, og værdier, der ikke er nul, ville indebære en CP-overtrædelseskomponent i top-quark-sektoren. Det nye ATLAS-resultat sætter begrænsninger for den reelle og imaginære del af denne koefficient. Ved 95% konfidensniveau, den reelle del er begrænset inden for [-0,7, 1,5] og den imaginære del inden for [-0,7, 0,2], begge kompatible med nul. For den imaginære del, de angivne grænser er de hidtil strengeste fra højenergieksperimenter.