Figur 1:Tvärsnitt överst-kvarkpar mätt med ATLAS vid 13, 8 och 7 TeV med hjälp av eµ -händelser, jämfört med den teoretiska förutsägelsen (cyanband) som en funktion av kollisionsenergi. Det nedre diagrammet visar förhållandet mellan mätningar och förutsägelser med hjälp av olika partonfördelningsfunktioner. Upphovsman:ATLAS Collaboration/CERN
Som den tyngsta kända elementpartikeln, toppkvarken har en speciell plats i fysiken som studerades vid Large Hadron Collider (LHC) vid CERN. Toppkvark-antikvark-par produceras rikligt i kollisioner registrerade av ATLAS-detektorn, tillhandahåller en rik testplats för teoretiska modeller av partikelkollisioner med de högsta tillgängliga energierna. Eventuella avvikelser mellan mätningar och förutsägelser kan peka på brister i teorin - eller första antydningar om något helt nytt.
ATLAS Collaboration har släppt en ny exakt mätning av den totala hastigheten-eller "tvärsnitt"-för produktion av toppkvarkpar vid LHC. Mätningen använder händelser där en toppkvark förfaller till en elektron (e), en neutrino och en b-kvark, medan den andra förfaller till en muon (µ), en neutrino och en b-kvark. Detta skapar en slående signatur i detektorn, tillåter fysiker att samla ett mycket rent urval av händelser med mycket liten bakgrund. Trots att de bara står för 2 procent av topp-kvark-parets förfall, ATLAS -fysiker undersökte över 230, 000 eµ-händelser som samlades in 2015-2016 under körning 2 av LHC vid 13 TeV.
Det nya resultatet ger en mätning av tvärsnittet över toppkvarkparet på 826 ± 20 picobarns, dvs en osäkerhet på bara 2,4 procent. Detta stämmer helt överens med toppmoderna teoretiska förutsägelser, och ansluter sig till tidigare exakta ATLAS -mätningar som använde 7 och 8 TeV -data (figur 1). Denna utmärkta precision är tack, till stor del, till detektorns suveräna rekonstruktion av de resulterande leptonerna (elektroner och muoner).
Figur 2:Top-kvark-par differentialtvärsnitt som en funktion av den invarianta massan av topp-kvark-paret och den övre kvarkens tvärgående momentum, mätt med ATLAS vid 13 TeV med hjälp av händelser i singel-leptonkanalen, jämförs med den teoretiska förutsägelsen från beräkningar från nästa till nästa ledande ordning (NNLO). Upphovsman:ATLAS Collaboration/CERN
ATLAS nya exakta mätning av topp-kvarkparets tvärsnitt har också använts för att fästa flera parametrar-inklusive toppkvarkmassan till m t =173.1 ± 2.1 GeV - och för att begränsa de "partondistributionsfunktioner" som kännetecknar protonens inre struktur när det gäller dess bestående kvarker och gluoner.
Energierna och vinkelfördelningarna för de producerade leptonerna (dvs deras "kinematik") har också mätts exakt. Dessa jämfördes med förutsägelser från olika "händelsegenerator" -program, används för att modellera top-quark-evenemang vid LHC. ATLAS -fysiker noterade flera avvikelser, pekar på behovet av mer exakta teoretiska beräkningar för att bättre beskriva de observerade lepton -momentumfördelningarna.
Går ett steg längre, ett annat nytt ATLAS -resultat fördjupade djupare i kinematiken för själva toppkvarkerna. För första gången i ATLAS, hastigheten för topp-kvark-parproduktion har mätts som funktion av två kinematiska variabler samtidigt (2D-fördelningar, se figur 2).
Figur 3:Top-kvark-par differentialtvärsnitt som en funktion av den övre kvarkens tvärgående momentum, med 13 TeV-händelser i singel-leptonkanalen. Detta jämförs med teoretiska förutsägelser från händelsegeneratorn Powheg+Pythia8 och NNLO-beräkningar med fast ordning. Det nedre diagrammet visar förhållandet mellan förutsägelserna och mätningen. Upphovsman:ATLAS Collaboration/CERN
För att åstadkomma detta, fysiker valde händelser med topp-kvark-par där en toppkvark förfaller till en lepton, en neutrino och en b-kvark, medan den andra förfaller till ett b-kvark och kvark-antikvark-par. Studier av detta slutliga tillstånd, kallad "single-lepton" -kanal, tillät ATLAS-team att mer exakt rekonstruera kinematiken för topp-kvark-paret, inklusive i de fall där "boostade" toppkvarker med extremt hög tvärgående momentum i förhållande till kollisionsaxeln produceras. Dessa är av nyckelintresse för nya fysiksökningar eftersom massiva exotiska partiklar kan förfalla till två starkt förstärkta toppkvarker.
Fysiker jämförde de uppmätta fördelningarna med de senaste teoretiska beräkningarna, med förbättrade produktionshastighetsuppskattningar i regimer med hög fart. Resultaten visar att teoretiska beräkningar förutsäger fler toppkvarkar vid mycket hög fart än vad som observeras (figur 3). Detta bekräftar och förbättrar tidigare mätningar publicerade av både ATLAS- och CMS -experimenten. Dessutom, tack vare formen på 2D -distributionen, topp-kvark-parets produktionshastighet som en funktion av den invarianta massan och den översta kvarkens tvärgående momentum kan användas för framtida mätningar för att mäta toppkvarkmassan.
Tagen tillsammans, dessa två nya resultat ger en mängd data för att förbättra vår förståelse för produktion av toppkvarkpar, och för att ytterligare stifta egenskaperna hos denna tunga partikel.
