I flera decennier har partikelfysiker har försökt bättre förstå naturen på de minsta avstånden genom att kollidera partiklar med de högsta energierna. Även om standardmodellen för partikelfysik framgångsrikt har förklarat de flesta av resultaten från experiment, många fenomen förblir förvirrande. Således, nya partiklar, krafter eller mer allmänna begrepp måste finnas och-om partikelfysikens historia är någon indikation-kan de mycket väl avslöjas vid högenergigränsen.

En lovande testbädd för sådan ny fysik är "fyra-kvarkproduktion, "en svårfångad standardmodellprocess som ännu inte har observerats experimentellt. I denna produktion, två par toppkvarker-de tyngst kända elementära partiklarna-skapas samtidigt vid en kollision, koncentrerar därmed en enorm mängd energi i en enda punkt. Detta är så sällsynt att i datamängden med 30 miljoner toppkvarkpar analyserade av ATLAS-experimentet vid CERN för denna studie, endast cirka 350 kollisioner förväntas ha gett fyra toppkvarker.

ATLAS-samarbetet har precis släppt sina senaste resultat på sökandet efter fyra-kvarkproduktion baserat på proton-protonkollisionsdata som samlats in 2015 och 2016 vid Large Hadron Collider (LHC). När en toppkvark förfaller, det ger upphov till "slutliga tillstånd" med antingen tre (lättare) kvarker eller en kvark, en neutrino och en laddad lepton. Därav, händelser där fyra toppkvarker produceras samtidigt kan ha mycket olika slutliga tillståndstopologier beroende på kombinationen av dessa förfall. ATLAS -fysiker analyserade dessa topologier individuellt innan de kombinerade dem för det slutliga resultatet.

Alla dessa slutliga tillstånd kännetecknas av närvaron av många mycket energiska partiklar. Även om detta gör det lättare att skilja de fyra toppsignalsignaturerna från bakgrundsprocesser, det gör det också svårare att förutsäga hur många bakgrundshändelser som felidentifieras som fyra-kvarkproduktionsevenemang. ATLAS -team implementerade därmed sofistikerade nya analystekniker för att uppskatta mängden bakgrund i dessa "hektiska" miljöer. I kombination med den utmärkta detektorprestanda, ett resultat med en aldrig tidigare skådad känslighet uppnåddes, exklusive en signal med en produktionshastighet som är större än 2,1 gånger den hastighet som förutspås av standardmodellen (att jämföra med en faktor 11,6 för den tidigare känsligaste sökningen).

Dataanalysen resulterade i en liten, ännu inte signifikant fyrtoppssignal på 2,8 standardavvikelser vilket ger en observerad övre gräns på 5,3 gånger standardmodellhastigheten. Kan detta vara en antydan eller helt enkelt en statistisk fluktuation? Endast ett uppdaterat resultat med hjälp av den större tillgängliga datamängden och en ännu smartare analys kan berätta.