Figur 1:Sammanfattning av de observerade best-fit polarisationsmätningarna med deras endast statistiska (gröna) och statistiska+systematiska (gula) konturer vid 68 % konfidensnivå, plottas på det tvådimensionella polarisationsparameterutrymmet Pz', Px'. Det inre av den svarta cirkeln representerar den fysiskt tillåtna regionen av parameterutrymmet. Upphovsman:ATLAS Collaboration/CERN
Unik bland sina kamrater är toppkvarken – en fascinerande partikel som forskarvärlden har studerat i detalj sedan 90-talet. Dess stora massa gör den till den enda kvarken som sönderfaller innan den bildar bundna tillstånd (en process som kallas hadronisering) och ger den den starkaste kopplingen till Higgs-bosonen. Teoretiker förutspår att det också kan interagera starkt med nya partiklar - om det gör det, Large Hadron Collider (LHC) är den idealiska platsen att ta reda på eftersom det är en "toppkvarkfabrik".
Medan de flesta toppkvarkar produceras i par vid LHC, kollisioner kommer ibland att producera enkla kvarkar. LHC producerade mer än 42 miljoner enkla kvarkar under sin imponerande Run-2-datainsamlingsperiod (2015–2018). Till skillnad från top-quark-pair-produktion, enkla kvarkar produceras alltid via vänsterhänt elektrosvag interaktion. Detta påverkar den producerade toppkvarkens spinnriktning, och i sin tur, snurran av dess sönderfallsprodukter. Genom att studera enskilt framställda toppkvarkar, fysiker kan undersöka i vilken grad en toppkvarks spinn är inriktad i en given riktning (dess polarisering). Denna parameter är särskilt känslig för nya fysikeffekter. I ett nytt resultat presenterat av ATLAS Collaboration, fysiker har mätt – för första gången – de fulla polarisationsvektorerna för både toppkvarkar och antikvarkar.
Storm i en t-kanal
Bland de olika mekanismerna som bidrar till produktion av single-top-quark, "t-kanalen" dominerar vid LHC. I t-kanalen, en toppkvark sönderfaller tillsammans med en annan partikel, känd som en "åskådarkvark". Denna åskådare är avgörande för att mäta toppkvarkens polarisering, eftersom dess rörelseriktning förväntas sammanfalla med toppkvarkens spinnriktning - åtminstone, för det mesta. Detta är inte alltid fallet; ytterligare, spinnriktningen bör skilja sig mellan toppkvarkar och antikvarkar.
Figur 2:Den normaliserade differentialtvärsnittsmätningen som en funktion av cos θy-vinkeln för den laddade leptonen. Uppgifterna, visas som de svarta punkterna med statistiska osäkerheter, jämförs med olika standardmodell Monte Carlo-genererade förutsägelser av t-kanalsignalen för både toppkvarkar och toppantikvarkar. Osäkerhetsbanden inkluderar både de statistiska och systematiska osäkerheterna. Den nedre panelen visar förhållandet mellan förutsägelse och data i varje fack. Upphovsman:ATLAS Collaboration/CERN
För att till fullo förstå detta beteende, ATLAS-fysiker satte sig för att mäta hela toppkvarkens och antikvarkens polarisationsvektorer. Först, de var tvungna att skilja mellan toppkvarkar producerade i t-kanalen och andra processer som lämnar samma signatur i detektorn. Forskare sökte deras kollisionshändelser efter de karakteristiska egenskaperna hos t-kanalen; nämligen, händelser med två jetstrålar i sluttillståndet (åskådarkvarken och bottenkvarken från toppkvarkens sönderfall) eller en åskådarkvark med stor pseudorapiditet. Deras resulterande urval är ganska rent i t-kanals enkelproducerade toppkvarkar.
Efter dess produktion, toppkvarken sönderfaller nästan uteslutande till en W-boson och en bottenkvark. W-bosonen kommer att sönderfalla ytterligare till ett par kvarkar (hadronkanal) eller en lepton och en neutrino (leptonisk kanal). Den leptoniska kanalen är särskilt intressant för fysiker, eftersom leptonens vinkelfördelningar är intimt relaterade till toppkvarkens spinn. Nya resultat från ATLAS Collaboration utnyttjar denna funktion för att tillhandahålla – för första gången – de fullständiga polarisationsvektorerna för både toppkvarkar och antikvarkar (se figur 1). Det finns en enorm grad av polarisering längs riktningen för åskådarkvarkens jet för toppkvarkar, och mot den riktningen för toppantikvarker.
Vidare, ATLAS-fysiker mätte toppkvarkens differentiella tvärsnitt som en funktion av dessa vinkelfördelningar. Deras mätningar tillhandahålls på ett sådant sätt att de direkt kan jämföras med nuvarande och framtida teoretiska förutsägelser. Figur 2 visar en av de tre differentiella tvärsnittsmätningarna av t-kanalproduktionen som en funktion av vinkelfördelningarna för den laddade leptonen. Resultaten överensstämmer med standardmodellens förutsägelser.
Operatör! Ge mig ny fysik på gång
ATLAS nya analys gör också viktiga framsteg i sökandet efter fenomen bortom Standardmodellen. Särskilt, nya partiklar som inte kan produceras direkt vid LHC skulle fortfarande ha en betydande effekt på fördelningarna som mäts i denna analys. Att studera dessa ger forskare ett modelloberoende sätt att beskriva möjliga avvikelser från de teoretiska förutsägelserna i termer av operatorer, som är noll i standardmodellen.
Konkret, ATLAS-forskare tittade på "OtW-dipoloperatorn." Denna operatör har både en verklig och en imaginär del; det senare är av särskilt intresse, eftersom det inte är tillgängligt i toppparproduktion och värden som inte är noll skulle innebära en CP-överträdelsekomponent i toppkvarksektorn. Det nya ATLAS-resultatet sätter begränsningar för den verkliga och imaginära delen av denna koefficient. På 95% konfidensnivå, den verkliga delen är begränsad inom [-0,7, 1,5] och den imaginära delen inom [-0,7, 0,2], båda kompatibla med noll. För den imaginära delen, de angivna gränserna är de strängaste hittills från högenergiexperiment.
