Bland de mest spännande partiklarna som studerats av ATLAS -experimentet är toppkvarken. Som den tyngsta kända grundpartikeln, det spelar en unik roll i standardmodellen för partikelfysik, och kanske i fysik bortom standardmodellen.

Under körning 2 av Large Hadron Collider (LHC) på CERN, protonstrålar kolliderade med hög ljusstyrka vid en masscentrumenergi på 13 TeV. Detta gjorde det möjligt för ATLAS att upptäcka och mäta ett oöverträffat antal händelser som involverade topp-antitop kvarkpar, ger ATLAS-fysiker en unik möjlighet att få insikt i toppkvarkens egenskaper.

På grund av lömsk interferens mellan partiklar som är involverade i produktionen, topp- och antitoppkvarkar produceras inte lika med avseende på protonstrålens riktning i ATLAS-detektorn. Istället, toppkvarker produceras företrädesvis i mitten av LHC:s kollisioner, medan antitoppkvarkar företrädesvis produceras i större vinklar. Detta är känt som en "laddningsasymmetri".

Laddningsasymmetri liknar ett fenomen som uppmätts vid Tevatron-kollideren vid Fermilab, känd som en "framåt-bakåt" asymmetri. På Tevatron, kolliderande balkar gjordes av protoner och antiprotoner, respektive, vilket ledde till att topp- och antitopkvarkar producerades i icke-centrala vinklar, men i motsatta riktningar. En framåt-bakåt asymmetri, kompatibel med förbättrade standardmodellförutsägelser, var observerad.

Effekten av laddningsasymmetri vid LHC förutspås vara extremt liten ( <1%), eftersom det dominerande produktionssättet för topp-kvarkpar via spridningen av gluoner (bärarna av den starka kraften) som kommer ut från protonerna inte uppvisar en laddningsasymmetri. En kvarvarande asymmetri kan bara genereras av mer komplicerade spridningsprocesser som även involverar kvarkar. Dock, nya fysikprocesser som stör de kända produktionssätten kan leda till mycket större (eller till och med mindre) värden. Därför, en precisionsmätning av laddningsasymmetrin är ett strikt test av standardmodellen. Det är bland de mest subtila, svår, och ändå viktiga egenskaper att mäta i studiet av toppkvarkar.

Ett nytt ATLAS-resultat, presenterades denna vecka vid European Physical Society Conference on High-Energy Physics (EPS-HEP) i Gent, Belgien, undersöker hela Run 2-datauppsättningen för att mäta topp-antitop-produktion i en kanal där en toppkvark sönderfaller till en laddad lepton, en neutrino och en hadronic "jet" (en spray av hadroner); och den andra sönderfaller till tre hadroniska jetstrålar. Analysen inkluderar till fullo händelser där de hadroniska jetstrålarna slås samman (så kallad "boostad topologi").

ATLAS hittar tecken på laddasymmetri i händelser med toppkvarkpar, med en betydelse av fyra standardavvikelser. Den uppmätta laddningsasymmetrin på 0,0060 ± 0,0015 (stat+syst.) Är kompatibel med den senaste standardmodellprognosen, och mätningen anger med säkerhet att den observerade asymmetrin inte är noll. Det är den första ATLAS toppfysikmätningen som använder hela Run 2-datauppsättningen.

Det nya ATLAS -resultatet markerar en mycket viktig milstolpe efter årtionden av mätningar. Figur 1 visar att datasetet tillåter ATLAS att mäta laddningsasymmetrin som en funktion av massan av topp-antitopsystemet. Figur 2 visar de resulterande gränserna för anomala effektiva fältteori (EFT) kopplingar som parametriserar effekter från ny fysik som skulle vara utom räckhåll för att direkt produceras vid LHC.

Detta nya resultat är ännu en demonstration av ATLAS förmåga att studera subtila standardmodelleffekter med stor precision. Den observerade överensstämmelsen med standardmodellens förutsägelser ger ytterligare en pusselbit i vår förståelse av partikelfysik vid energigränsen.