3D-vy av LHC-magnet. Kredit:D. Dominguez &M. Brice/CERN
CERNs Large Hadron Collider (LHC) är känd för att kollidera med protoner med världsrekordenergier – men ibland lönar det sig att sänka energin och se vad som händer under mindre extrema förhållanden. LHC startade driften 2010 med en kollisionsenergi på 7 TeV, och sprang på 13 TeV från 2015 till 2018. Men under en vecka 2017, LHC producerade kollisioner med måttlig intensitet vid endast 5 TeV – vilket gör det möjligt för forskare att analysera produktionen av olika elementarpartiklar vid en lägre kollisionsenergi.
En partikel de var särskilt angelägna om att studera var toppkvarken. Som den tyngsta kända elementarpartikeln, hastigheten (eller tvärsnittet) för att producera topp-kvarkpar beror mycket starkt på kollisionsenergin som uppnås. Genom att mäta produktionshastigheten vid olika energier, forskare kan lära sig mer om fördelningen av kvarkar och gluoner som utgör protonen.
ATLAS Collaboration vid CERN har släppt ett nytt mått på produktionen av toppkvarkpar i 5 TeV-dataprovet. Med bara en veckas data, deras slutliga mätning har en osäkerhet på bara 7,5 %. Denna osäkerhet beror främst på den mycket lilla storleken på 5 TeV-dataprovet, med systematiska osäkerheter relaterade till kalibreringen av LHC-ljusstyrkan och den experimentella responsen är endast några få procent.
Toppkvarkar sönderfaller snabbt och lämnar en distinkt signatur i detektorn. För att upptäcka kollisionshändelser i topppar, ATLAS-fysiker letade efter händelser med två elektroner, två myoner, eller ett elektron-myon-par, en eller två "b-märkta" partikelstrålar (som kommer från b-kvarkförfall), och en betydande momentumobalans som indikerar närvaron av en neutrino. Detta urval undertrycker kraftigt bakgrundshändelser från produktionen av andra typer av partiklar, särskilt i fallet med elektron-myon-händelser. I händelser med antingen två elektroner eller två myoner, det finns fortfarande en stor bakgrund från händelser med Z-bosoner att brottas med. Fysiker reducerade denna bakgrund med hjälp av de uppmätta energierna och vinklarna för elektronerna och myonerna, kräver att deras kombination inte är förenlig med att de kommer från ett Z-bosonförfall.
Topppars produktionstvärsnitt som funktion av kollisionsenergi, visar ATLAS-mätningar (svarta cirklar och röd triangel) jämfört med den teoretiska förutsägelsen (cyanband). De nedre diagrammen visar förhållandet mellan mätningarna och förutsägelsen med hjälp av olika partonfördelningsfunktioner, dvs parametriseringar av protonens interna struktur med hjälp av olika antaganden och indatauppsättningar. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Det nya måttet visas i plotten som visas i den här artikeln (den röda triangeln). Tidigare mätningar vid högre energier från enbart elektron-myon-händelser ingår också. Tvärsnittet vid 5 TeV är mer än en faktor tio mindre än det vid den högsta energin på 13 TeV. Alla mätningar är i utmärkt överensstämmelse med teoretiska förutsägelser, som kombinerar teorin om kvantkromodynamik med kunskap om protonens inre struktur.
Sådana jämförelser tjänar till att validera förståelsen av proton-protonkollisioner, och fungera som en språngbräda till nästa LHC-lopp som börjar 2022, där CERN hoppas kunna öka LHC-kollisionsenergin ytterligare mot 14 TeV.
