När det gäller kvarker, de av tredje generationen (topp och botten) är verkligen de mest fascinerande och spännande. Metaforiskt, vi skulle klassificera deras sociala liv som ganska avskilt, eftersom de inte blandar mycket med sina släktingar till första och andra generationen. Dock, som de riktiga aristokraterna i partikelfysikvärlden, de njuter av privilegierade och intensiva interaktioner med Higgs -fältet; det är intensiteten i denna interaktion som så småningom avgör saker som kvantstabiliteten i vårt universum. Deras sociala liv kan också ha en mörk sida, eftersom de kan vara involverade i interaktioner med mörk materia.

Denna specialstatus för tredje generationens kvarkar gör dem till nyckelspelare i jakten på fenomen som inte förutses av standardmodellen. Ett nytt resultat som släpptes av ATLAS Collaboration på CERN fokuserar på modeller av nya fenomen som förutsäger ett förbättrat utbyte av kollisionshändelser med bottenkvarkar och osynliga partiklar. En andra ny ATLAS -sökning överväger den möjliga förekomsten av tillsatta tau leptoner. Tillsammans, dessa resultat sätter stora begränsningar för produktionen av b-kvarkpartners och möjliga partiklar av mörk materia.

Söker efter den supersymmetriska botten ...

Den supersymmetriska partnern till bottenkvarken (skalärbotten) är en av de mest eftertraktade nya partiklarna vid Large Hadron Collider (LHC). Under körning 1 av LHC (2010-2013), fysiker kunde sätta starka begränsningar på skalbottenens massa i dess mest naturliga sönderfallssätt. Dessa begränsningar har bara blivit starkare eftersom forskare har studerat data från körning 2 (2015-2018). ATLAS Collaborations nyaste resultat tar sökningen ett steg längre:inte bara har fysiker undersökt hela uppsättningen kollisioner i körning 2, de har använt nya tekniker för att rikta in sig på mindre vanliga nedbrytningslägen för skalärbotten och svårare masshierarkier.

ATLAS första nya resultat fokuserar på skalbottenförfall som inte ofta undersöks-nämligen dess förfall till b-kvarker, Higgs bosoner och kandidatpartiklar i mörk materia. Kompletterar en tidigare ATLAS -studie (se figur), det nya resultatet letar efter ett par tau leptoner som produceras i Higgs-bosons förfall. Identifiera - eller snarare felidentifiering-dessa tau leptoner var en av de mer utmanande aspekterna av denna studie. För att övervinna detta, ATLAS -fysiker utvecklade en dedikerad teknik för bakgrundsuppskattning, baserat på definitionen av en noggrant utformad uppsättning kontrollprover. Detta gav dem en exakt uppskattning av den svåra bakgrundskomponenten som härrör från felidentifieringar av tau leptoner.

I en andra ny studie av skalarbottenkvarkar, ATLAS-forskare fokuserade på förfallet av en parproducerad skalärbotten till en b-kvark och en kandidatpartikel av mörk materia, vilket resulterar i två b-strålar och saknar tvärgående momentum i slutläget. De ägnade särskild uppmärksamhet åt "komprimerade scenarier, " det är, där massan av skalärbotten och den för kandidaten för mörk materia är liknande. I dessa fall, b-kvarkerna som släpps ut i skalbottenförfallet har mycket låg fart, gör dem svåra att identifiera.

För första gången i ATLAS, fysiker implementerade maskininlärningstekniker och dedikerade rekonstruktionsalgoritmer som syftar till att rekonstruera det förflyttade botten-hadronförfallet oavsett närvaro av en jet. Tillsammans med den ökade integrerade ljusstyrkan för LHC, dessa tekniker har hjälpt till att driva ATLAS -experimentets känslighet till nivåer utan motstycke.

... och dess vänner

En av de saker som gör dessa slutliga tillstånd så intressanta är att de också är gemensamma för andra nya fenomen, såsom leptoquarks. Dessa är hypotetiska partiklar vars sönderfall skulle bryta mot bevarande av lepton- och baryontal, som kan förklara obalansen i vårt universum som observerats i materia -antimateria. En specifik familj av leptoquarks kan förfalla åtminstone delvis i en b-kvark och en neutrino, ger återigen ett slutligt tillstånd med två b-strålar och saknar tvärgående momentum. Mer generiska modeller av mörk materia, där b-jets produceras i samband med kandidatpartiklarna i mörk materia, skulle också ge samma slutliga tillstånd. ATLAS nya resultat sätter konkurrensbegränsningar även för dessa scenarier - ett betydande bidrag till sökandet efter mörk materia eller leptoquarks.

Sammanfattningsvis

Undersökningen av tredje generationens kvarksektor-både när det gäller precisionsmätningar och när det gäller sökningar efter nya fenomen som är förknippade med den-ska tillskrivas den långa listan av triumfer för LHC. Denna kunskap indikerar hittills att den tredje generationen beter sig som förutsagt av standardmodellen. Endast ytterligare granskning och undersökning kommer att avslöja nya svar på de stora frågorna som tredje generationen väcker.