Fysiker från ATLAS Experiment på CERN har presenterat spännande nya resultat vid den tionde internationella workshopen om Top Quark Physics (TOP2017), hölls i Braga (Portugal). Konferensen samlade experimentella och teoretiska fysiker som specialiserat sig på den tyngsta kända elementpartikeln:toppkvarken.

ATLAS släppte sex nya resultat för TOP2017, täcker alla områden inom toppkvarkfysik, inklusive precisionsmätningar i ett topp-kvark-par och enstaka topp-kvark-händelser, söker efter nya kopplingar av toppkvarken, och mätningar av egenskaperna hos toppkvarken, i synnerhet dess massa.

Enkel eller dubbel?

Toppkvarkar i LHC-proton-protonkollisioner produceras övervägande i par, med en toppkvark och en toppantikvart. ATLAS presenterade de första övre kvarkparets tvärsnittsmätningar som en funktion av flera variabler som beskriver de kinematiska egenskaperna hos interaktionen och av de enskilda toppkvarkerna ("differentiella" mätningar). Dessa mätningar använde händelser som endast innehåller jetplan, och inga laddade leptoner eller neutrinoer. I vanliga fall, sådana händelser skulle bli överväldigade av andra, mer vardagliga och mycket mer överflödiga processer, såsom starka interaktioner som involverar produktion av gluoner eller lättare kvarker. Dock, genom att fokusera på energiska jetplan inuti vilka sönderfallsprodukterna från toppkvarken finns, det nya ATLAS -resultatet uppnår den bästa precisionen ännu för detta slutliga tillstånd.

Enkla toppkvarker som produceras genom den svaga interaktionen är också svåra att identifiera, särskilt när toppkvarken produceras tillsammans med en W boson (tW), som lider av mycket stora bakgrunder från toppkvarkparsproduktion. Trots dessa experimentella utmaningar, ATLAS-samarbetet släppte den första differentiella tvärsnittsmätningen av tW-produktion, med hjälp av hela datamängden som samlats in 2015 och 2016. Mätningen överensstämmer i allmänhet med flera förutsägelser, det visar emellertid att data tenderar att ha något fler händelser med hög momentum slutstatobjekt.

Den tyngsta av alla

Även om toppkvarken upptäcktes för över 30 år sedan, många av dess egenskaper mäts först nyligen med hög precision. Nyckeln till alla studier är den högsta kvarkmassan, som ger avgörande information som används för att bedöma standardmodellens interna konsistens och till och med har konsekvenser för universums öde.

Experiment står inför många utmaningar när man mäter toppkvarkmassan med hög precision. För att identifiera dess multipla sönderfallsprodukter krävs precisionsmätningar i alla delar av ATLAS -detektorn; utsökt modellering av den högst producerande kollisionshändelsen och dess efterföljande utveckling är också avgörande.

En ny ATLAS -mätning av den övre kvarkmassan studerade cirka 36, 000 toppkvarkparhändelser registrerade 2012 och mätte den högsta kvarkmassan med en precision på ± 0,91 GeV. När denna mätning kombineras med andra ATLAS toppkvarkmassemätningar, precisionen når ± 0,5 GeV, eller 0,3%, som konkurrerar med de bästa kombinerade resultaten från andra experiment.

Flytta toppen framåt

Toppkvarken är också ett unikt laboratorium för att studera färgaspekten av starka interaktioner. "Färg" anger laddningen för den starka interaktionen. ATLAS presenterade mätningar som är känsliga för denna färgstruktur genom att titta på i vilken grad två strålar är orienterade mot varandra. En annan observerbar, den så kallade top quark-laddningsasymmetrin (hur mycket toppkvarken är i linje med strålriktningen jämfört med den övre antikvisten) är också mycket användbar för att testa subtila funktioner i den starka interaktionen och kan avslöja förekomsten av fysik bortom standardmodellen.

ATLAS kombinerade sina mätningar av toppladdningsasymmetri med CMS -samarbetet för att minska osäkerheterna och få ett mer exakt resultat än någon tidigare mätning. Detta är den första gemensamma ATLAS-CMS-publikationen relaterad till toppkvarkfysik och är ett symbol för den kooperativa karaktären hos högenergifysik som också betonades vid TOP2017.

Aldrig - nästan?

Toppkvarken är också ett unikt verktyg för att direkt söka efter nya fysiktillägg av standardmodellen. Förfallet av toppkvarken till en Z boson och en lätt kvark genom en så kallad smakförändrande neutralström (FCNC), vilket är förbjudet i standardmodellen, förutspås av teorier som supersymmetri eller extra dimensioner. Med hjälp av 13 TeV -dataset som samlats in 2015 och 2016, inga FCNC -interaktioner har hittats, och ATLAS har satt de hittills strängaste gränserna för denna process.

Alla dessa spännande nya resultat banar väg för ytterligare detaljerade studier av toppkvarken med de större datamängder som förväntas från LHC i körning 2 och senare. ATLAS -samarbetet ser fram emot fortsatta fruktbara diskussioner mellan teoretiker och experimenter om dess mätningar.