Fördelningar av mlb som representerar olika värden på toppkvarkens sönderfallsbredd (Γt). Den nedre panelen visar förhållandet mellan alternativa bredder och standardmodellens förutsägelse. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Som den tyngsta kända partikeln, toppkvarken spelar en nyckelroll i studier av grundläggande interaktioner. På grund av sin korta livslängd, toppkvarken sönderfaller innan den kan förvandlas till en hadron. Således, dess egenskaper bevaras och överförs till dess sönderfallsprodukter, som i sin tur kan mätas i högenergifysikexperiment. Sådana studier ger en utmärkt testplats för standardmodellen och kan ge ledtrådar för ny fysik.
En nyckelparameter som undersökts av ATLAS Collaboration vid CERN är toppkvarkens "förfallsbredd", vilket är relaterat till partikelns livslängd och sönderfallslägen. Sönderfall till följd av ny fysik kan förändra sönderfallets bredd, vilket gör dess exakta mätning särskilt viktig. I standardmodellen, teoretiska beräkningar förutsäger ett värde för sönderfallsbredden på 1,32 GeV för en toppkvarkmassa på 172,5 GeV.
ATLAS Collaboration presenterade en ny mätning av toppkvarkens sönderfallsbredd vid Lepton Photon Symposium i Toronto, Kanada. Analysen använder den fullständiga datamängden från Run 2 the Large Hadron Collider (LHC) – med en motsvarande integrerad ljusstyrka på 139 fb −1 – för att ge ATLAS bästa precision hittills.
Den nya analysen tar ett direkt tillvägagångssätt för att mäta toppkvarkens sönderfallsbredd. ATLAS-fysiker valde kollisionshändelser där topp-kvarkpar sönderfaller till två laddade leptoner (elektroner eller myoner) med motsatt elektrisk laddning. Denna avklingningskanal har en högre renhet av signalhändelser och mindre systematiska osäkerheter jämfört med alternativa kanaler. ATLAS mätte den invarianta massan av leptonerna och de resulterande "b-strålarna" från toppkvarkens sönderfall observerade i detektorn, för att bestämma toppkvarkens sönderfallsbredd.
Den blå kurvan representerar värden för sannolikhetsfunktionen som används i anpassningen till data, beräknas för flera värden av toppkvarkens bredd (Γt). Minimum representerar det mest sannolika värdet på Γt. De röda streckade linjerna representerar gränserna för 1, 2 och 3 standardavvikelser. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Den invarianta massan av lepton och en b-jet (m lb ) är känslig för toppkvarkens sönderfallsbredd, men bara när båda härstammar från sönderfallet av samma toppkvark. Fysiker använde ett enkelt kriterium, tittar på det minsta vinkelavståndet mellan den laddade leptonen och strålen, för att matcha dem med varandra och rekonstruera deras oföränderliga massor.
Den nya mätningen av toppkvarkens sönderfallsbredd domineras av systematiska osäkerheter som främst uppstår från mätning av jetenergier. För att hantera dessa osäkerheter, ATLAS-fysiker använde en ny metod för passformen som kombinerade mallar, representerar olika värden på avklingningsbredden, och en profilsannolikhetsteknik, där källorna till systematiska osäkerheter direkt kommer in i passformen. Fysiker testade anpassningsproceduren för att säkerställa passformens stabilitet och robusthet mot statistiska effekter. Verkligen, tester med en fullständig systematisk modell utfördes för att verifiera att proceduren kunde reproducera sönderfallsbredden som förutspåtts av standardmodellen, samt eventuella avvikelser. Denna nyutvecklade teknik, kombinera mall- och profil-sannolikhetspassningar, kan hitta användning i andra mätningar utanför toppkvarkens fysik.
Det nya ATLAS-resultatet ger ett värde på toppkvarkens sönderfallsbredd på 1,9 ± 0,5 GeV, i enlighet med standardmodellen. Detta markerar en betydande förbättring i precision jämfört med tidigare mätningar som analyserar 8 TeV LHC-data.
