Ett kvartssekel efter upptäckten, fysiker vid ATLAS-experimentet på CERN får ny inblick i den tyngst kända partikeln, toppkvarken. Den enorma mängden data som samlats in under körning 2 av LHC (2015-2018) har gjort det möjligt för fysiker att studera sällsynta produktionsprocesser av toppkvarken i detalj, inklusive dess produktion i samband med andra tunga elementära partiklar.

I ett nytt papper, ATLAS Collaboration rapporterar observationen av en enda toppkvark producerad i samband med en Z boson (tZq) med hjälp av hela Run-2 dataset, därigenom bekräftar tidigare resultat av ATLAS och CMS med hjälp av mindre datamängder. För att uppnå detta nya resultat, fysiker studerade över 20 miljarder kollisionshändelser registrerade av ATLAS -detektorn, letar efter händelser med tre isolerade leptoner (elektroner eller muoner), en momentumobalans i planet vinkelrätt (tvärgående) mot protonstrålen, och två eller tre strålar av hadroner som härrör från fragmenteringen av kvarkar (med en stråle från en b-kvark). Endast cirka 600 kandidathändelser med en sådan signatur identifierades (dvs. signalregionen) och, trots strikta urvalskriterier, endast cirka 120 av dessa förväntas komma från tZq -produktionsprocessen.

För att på bästa sätt skilja sin signal från bakgrundsprocesser, ATLAS -fysiker utbildade ett artificiellt neuralt nätverk för att identifiera tZq -händelser med hjälp av exakt simulerade data. Det neurala nätverket gav varje händelse ett poäng (O _NN ) som representerade hur mycket det såg ut som signalprocessen. För att kontrollera att den simulering som matades till det neurala nätverket gav en bra beskrivning av de verkliga data, fysiker tittade på händelser med liknande signaturer (kontrollregioner) som domineras av bakgrundsprocesser. Olika kinematiska fördelningar av de 600 valda signalregionhändelserna kontrollerades också.

Forskare utvärderade neurala nätverkspoängen i både signal (figur 1) och kontrollregioner så att bakgrundsnivåerna kunde begränsas med hjälp av verkliga data. TZq-signalen extraherades och hastigheten för sådana händelser som producerades i det givna dataprovet (dvs. tvärsnittet) beräknades. Osäkerheten på det extraherade tvärsnittet är 14%. Detta är över en faktor två mer exakt än det tidigare ATLAS -resultatet, som baserades på nästan fyra gånger mindre data (från 2015 och 2016). Tvärsnittet befanns stämma överens med förutsägelsen från standardmodell, bekräftar att även de tyngsta partiklarna i standardmodellen fortfarande uppför sig som punktliknande elementära partiklar.

Ytterligare, genom att välja för händelser som av det neurala nätverket identifieras som mycket troliga tZq -händelser (O _NN > 0,4), ATLAS -fysiker kan undersöka om de kinematiska fördelningarna är väl beskrivna med beräkningarna av standardmodellen. Figur 2 visar att detta verkligen är fallet.

Med observation av tZq -produktionsprocessen nu bekräftad, ATLAS -forskare kan förutse sin studie ännu mer detaljerat. Mätningar av tvärsnittet som en funktion av kinematiska variabler gör det möjligt för fysiker att noggrant undersöka toppkvarkens interaktioner med andra partiklar. Kommer mer data att avslöja några oväntade funktioner? Ser fram emot att se vad naturen döljer i den bästa världen.