Natuurkundigen van het ATLAS-experiment bij CERN hebben spannende nieuwe resultaten gepresenteerd tijdens de 10e International Workshop on Top Quark Physics (TOP2017), gehouden in Braga (Portugal). De conferentie bracht experimentele en theoretische fysici samen die gespecialiseerd zijn in het zwaarste bekende elementaire deeltje:de top-quark.

ATLAS heeft zes nieuwe resultaten vrijgegeven voor TOP2017, die alle gebieden van de fysica van top-quarks bestrijkt, inclusief precisiemetingen in een top-quarkpaar en enkele top-quarkgebeurtenissen, zoekt naar nieuwe koppelingen van de top-quark, en metingen van de eigenschappen van de top-quark, in het bijzonder zijn massa.

Enkel of dubbel?

Top-quarks in LHC proton-proton botsingen worden voornamelijk in paren geproduceerd, met een top-quark en een top-antiquark. ATLAS presenteerde de metingen van de dwarsdoorsnede van het eerste top-quarkpaar als functie van verschillende variabelen die de kinematische eigenschappen van de interactie en van de individuele top-quarks ("differentiële" metingen) beschrijven. Deze metingen gebruikten gebeurtenissen die alleen jets bevatten, en geen geladen leptonen of neutrino's. Normaal gesproken, dergelijke gebeurtenissen zouden worden overspoeld door andere, meer alledaagse en veel overvloediger processen, zoals sterke interacties met de productie van gluonen of lichtere quarks. Echter, door te focussen op energetische jets waarbinnen de vervalproducten van de top-quark zich bevinden, het nieuwe ATLAS-resultaat bereikt de beste precisie tot nu toe voor deze eindtoestand.

Single top quarks geproduceerd door de zwakke interactie zijn ook moeilijk te identificeren, vooral wanneer de top-quark wordt geproduceerd in combinatie met een W-boson (tW), die lijdt onder zeer grote achtergronden van de productie van top-quarkparen. Ondanks deze experimentele uitdagingen, de ATLAS-samenwerking heeft de eerste differentiële dwarsdoorsnedemeting van tW-productie uitgebracht, gebruikmakend van de volledige dataset verzameld in 2015 en 2016. De meting komt in het algemeen overeen met verschillende voorspellingen, het laat echter zien dat de gegevens de neiging hebben om iets meer gebeurtenissen te hebben met objecten in de eindtoestand met een hoog momentum.

De zwaarste van allemaal

Hoewel de top-quark meer dan 30 jaar geleden werd ontdekt, veel van zijn eigenschappen worden pas onlangs met hoge precisie gemeten. De sleutel tot elke studie is de top-quarkmassa, die cruciale informatie biedt die wordt gebruikt om de interne consistentie van het standaardmodel te beoordelen en zelfs implicaties heeft voor het lot van het universum.

Experimenten staan ​​voor veel uitdagingen bij het meten van de top-quarkmassa met hoge precisie. Het identificeren van de meervoudige vervalproducten vereist precisiemetingen in alle delen van de ATLAS-detector; voortreffelijke modellering van de topproducerende botsingsgebeurtenis en de daaropvolgende evolutie ervan is ook essentieel.

Een nieuwe ATLAS-meting van de top-quarkmassa bestudeerde ongeveer 36, 000 top-quarkpaargebeurtenissen geregistreerd in 2012 en de top-quarkmassa gemeten met een precisie van ± 0,91 GeV. Wanneer deze meting wordt gecombineerd met andere ATLAS top-quarkmassametingen, de precisie bereikt ±0,5 GeV, of 0,3%, die wedijvert met de beste gecombineerde resultaten van andere experimenten.

De bovenkant naar voren verplaatsen

De top-quark is ook een uniek laboratorium om het kleuraspect van sterke interacties te bestuderen. "Kleur" duidt de lading van de sterke interactie aan. ATLAS presenteerde metingen die gevoelig zijn voor deze kleurstructuur door te kijken naar de mate waarin twee jets naar elkaar toe gericht zijn. Een ander waarneembaar, de zogenaamde top-quarkladingsasymmetrie (hoeveel de top-quark is uitgelijnd met de bundelrichting in vergelijking met de top-antiquark) is ook erg handig voor het testen van subtiele kenmerken van de sterke interactie en zou de aanwezigheid van fysica buiten het standaardmodel kunnen onthullen.

ATLAS combineerde zijn metingen van asymmetrie van de toplading met die van de CMS-samenwerking om de onzekerheden te verkleinen en een resultaat te verkrijgen dat nauwkeuriger is dan enige eerdere meting. Dit is de eerste gezamenlijke ATLAS-CMS-publicatie met betrekking tot de fysica van topquarks en staat symbool voor het coöperatieve karakter van hoge-energiefysica dat ook werd benadrukt tijdens TOP2017.

Nooit - bijna?

De top-quark is ook een uniek hulpmiddel om direct te zoeken naar nieuwe fysica-uitbreidingen van het standaardmodel. Het verval van de top-quark tot een Z-boson en een lichte quark door een zogenaamde smaakveranderende neutrale stroom (FCNC), wat in het standaardmodel verboden is, wordt voorspeld door theorieën als supersymmetrie of extra dimensies. Met behulp van de 13 TeV-dataset verzameld in 2015 en 2016, er zijn geen FCNC-interacties gevonden, en ATLAS heeft tot nu toe de strengste limieten gesteld aan dit proces.

Al deze opwindende nieuwe resultaten effenen de weg naar verdere gedetailleerde studies van de top-quark met de grotere datasets die verwacht worden van de LHC in Run 2 en daarna. De ATLAS-samenwerking kijkt uit naar aanhoudende vruchtbare discussies tussen theoretici en experimentatoren over de metingen.