ATLAS Collaboration vid CERN har tillkännagett starka bevis på produktionen av fyra toppkvarkar. Denna sällsynta standardmodellprocess förväntas inträffa endast en gång för varje 70 tusen par toppkvarkar som skapas vid Large Hadron Collider (LHC) och har visat sig vara extremt svår att mäta.

Toppkvarken är den mest massiva elementarpartikeln i standardmodellen, klockar in på 173 GeV, vilket motsvarar massan av en guldatom. Men i motsats till guld, vars massa mestadels beror på den nukleära bindningskraften, toppkvarken får all sin massa från interaktionen med Higgsfältet. Så när fyra toppkvarkar produceras i en enda händelse, de skapar det tyngsta partikelsluttillståndet som någonsin setts vid LHC, med nästan 700 GeV totalt. Detta är en idealisk miljö för att söka efter ny fysik med ännu okända partiklar som bidrar till processen. Skulle de finnas, fysiker kommer att se ytterligare produktion av fyra toppkvarkar över vad som förutsägs av standardmodellen, ytterligare motivera en detaljerad studie av processen.

I deras nya sökande efter fyra-top-kvarkproduktion, ATLAS-fysiker studerade hela Run 2-datauppsättningen som registrerades mellan 2015 och 2018. När den producerades genom proton-protonkollisioner vid LHC, denna process lämnar spektakulära signaturer i ATLAS-detektorn. De fyra översta kvarkarna producerar fyra W-bosoner och fyra jetstrålar - kollimerade sprayer av partiklar - som kommer från bottenkvarkar. W-bosonerna då, i tur och ordning, varje sönderfall till två jetstrålar eller en laddad lepton (elektron, muon eller tau leptoner) och en osynlig neutrino. Som ett sista steg, tau leptonerna sönderfaller till en lättare lepton eller en jet, med ytterligare neutriner.

För detta resultat, fysiker valde att fokusera på kollisionshändelser som producerade två leptoner med samma laddning eller tre leptoner. Trots att de bara står för 12% av alla fyra-top-kvarkar sönderfall, dessa signaturer är lättare att skilja från bakgrundsprocesser i ATLAS-detektorn. Att detektera en signal krävde ändå en detaljerad förståelse av de återstående bakgrundsprocesserna och användningen av sofistikerade separationstekniker.

ATLAS-fysiker tränade en multivariat diskriminant (förstärkt beslutsträd) med hjälp av signalens distinkta egenskaper, inklusive det höga antalet jetplan, deras ursprung med kvargsmak (bottenkvarg eller inte), och energierna och vinkelfördelningarna för de uppmätta partiklarna. De huvudsakliga bakgrundsprocesserna som liknar signalen härrör från produktionen av ett par toppkvarkar i samband med andra partiklar, som en W eller Z boson, en Higgs boson, eller annan toppkvark. Vissa av dessa processer har själva nyligen observerats av ATLAS och CMS Collaborations.

Varje bakgrundsprocess utvärderades individuellt, främst genom dedikerade simuleringar som inkluderade information från de bästa tillgängliga teoretiska förutsägelserna. De svåraste bakgrundsprocesserna – produktionen av toppkvarkpar med en W-boson och bakgrunder med falska leptoner – måste bestämmas med hjälp av data från dedikerade kontrollregioner. Falska leptoner uppstår när laddningen av en lepton är felidentifierad, eller när leptoner kommer från en annan process, men tillskrivs signalen. Båda måste vara väl förstådda och noggrant utvärderade för att minska den systematiska osäkerheten om slutresultatet.

ATLAS mätte tvärsnittet för produktionen av fyra toppkvarkar till 24 ⁺⁷ _–6 fb, vilket överensstämmer med standardmodellens förutsägelse (12 fb) vid 1,7 standardavvikelser. Signalsignifikansen uppgår till 4,3 standardavvikelser, för en förväntad signifikans på 2,4 standardavvikelser var fyra-top-kvarksignalen lika med standardmodellens förutsägelse. Mätningen ger starka bevis för denna process.

Ytterligare data från nästa LHC-körning – tillsammans med ytterligare utvecklingar av analysteknikerna som används – kommer att förbättra precisionen i denna utmanande mätning.