Figur 1:En tt̄-kandidathändelse sett i en Kör 2 proton-protonkollision. Strålarna med stor radie (stor-R) visas i blått, medan de återstående strålarna har mindre radie. De strålar som identifierats innehålla b-hadroner visas i magenta. Mitten av magenta ellipser i den övre högra plattan motsvarar sekundära hörn. Tvärmomentet för de ledande och näst ledande stora R-jetstrålarna är 961 GeV och 824 GeV, respektive. Den dijet-invarianta massan för de två stora R-strålarna är 3,33 TeV. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Toppkvarken, den tyngsta kända fundamentala partikeln, spelar en unik roll inom högenergifysik. Studier av dess fastigheter har öppnat nya möjligheter för att vidareutveckla vår kunskap om standardmodellen. I ett nytt papper som lämnats till Fysisk granskning D , ATLAS-samarbetet vid CERN presenterar en omfattande mätning av högmomentum topp-kvarkparproduktion vid 13 TeV.
Studier av topp-kvarkpar med hög momentum är utmanande, eftersom det är en kanal med betydande bakgrund. Den nya ATLAS-mätningen använder en banbrytande metod som drar fördel av en relativistisk effekt känd som en Lorentz-boost. Fysiker identifierade en stråle med stor radie inuti detektorn, resultatet av att ett topp-kvarkpar med mycket hög fart sönderfaller till ett knippe kvarkar.
Att mäta de kinematiska egenskaperna hos strålen med stor radie gjorde det möjligt för ATLAS-fysiker att förstå egenskaperna hos den översta kvarken som den härrörde från. Detta förenklade rekonstruktionen av var och en av de två översta kvarkarna, och förbättrade också noggrannheten med vilken teoretiska förutsägelser kunde jämföras med observationer. Vidare, genom att titta på mönstret av energi som fördelas inuti jetstrålen och särskilja sönderfallsprodukterna från varje toppkvark, det var möjligt att tämja den enorma bakgrund som genererades av mycket mer frekventa (men här oönskade) två-jet-interaktioner.
I den nya tidningen, sannolikheten att producera ett topp-kvarkpar studeras som en funktion av rörelsemängden, invariant massa och vinkelvariabler som beskriver de två översta kvarkarna. De uppmätta fördelningarna jämförs med flera beräkningar som tar hänsyn till kvantmekaniska effekter som emission av strålning associerad med toppkvarkarna, eller slingor av virtuella partiklar. Resultaten visar att nuvarande beräkningar förutsäger fler toppkvarkar vid mycket hög fart än vad som observeras, bekräftar och förbättrar tidigare mätningar publicerade av både ATLAS- och CMS-experimenten. Anmärkningsvärt, den invarianta massan för de två översta kvarkarna undersöks också med en statistisk precision utan motstycke vid massor som överstiger 2 TeV. Dessa uppstår i proton-protonkollisioner där cirka 20 procent av kollisionsenergin har gått till skapandet av de två översta kvarkarna.
Figur 2:Normaliserat differentiellt tvärsnitt som en funktion av massan av de två strålarna med stor radie som vecklas ut från data, jämfört med utvalda Monte Carlo-modeller. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
ATLAS-fysiker studerade också vinkelkorrelationerna mellan de två översta kvarkarna för tecken på nya fysikprocesser. De hittades i överensstämmelse med standardmodellens förutsägelse, även om viss oenighet observerades i de kinematiska fördelningarna associerade med partiklarna som rekylerade från topp-kvarkparet. Medan det totala antalet topp-kvarkpar är lägre än förutsägelsen, skillnaden är inte statistiskt signifikant när man tar hänsyn till de (större) osäkerheter som kommer från själva teorin.
De nya ATLAS-observationerna framhäver behovet av ännu mer exakta teoretiska beräkningar, en bättre förståelse av källorna till osäkerhet och, självklart, mer data! Fysiker, teoretiker och ingenjörer arbetar hårt på alla tre fronterna.
