De top-quark, het zwaarste bekende fundamentele deeltje, speelt een unieke rol in de hoge-energiefysica. Onderzoek naar de eigenschappen ervan heeft nieuwe mogelijkheden geopend om onze kennis van het standaardmodel te vergroten. In een nieuwe paper ingediend bij Fysieke beoordeling D , de ATLAS-samenwerking bij CERN presenteert een uitgebreide meting van de productie van high-momentum top-quarkpaar bij 13 TeV.

Studies van top-quarkparen met een hoog momentum zijn uitdagend, omdat het een kanaal is met een belangrijke achtergrond. De nieuwe ATLAS-meting maakt gebruik van een baanbrekende methode die profiteert van een relativistisch effect dat bekend staat als een Lorentz-boost. Natuurkundigen identificeerden een straal met een grote straal in de detector, het resultaat van een top-quarkpaar met een zeer hoog momentum dat vervalt tot een bundel quarks.

Door de kinematische eigenschappen van de straal met een grote straal te meten, konden natuurkundigen van ATLAS die van de top-quark begrijpen waaruit deze is voortgekomen. Dit vereenvoudigde de reconstructie van elk van de twee top-quarks, en verbeterde ook de nauwkeurigheid waarmee theoretische voorspellingen konden worden vergeleken met waarnemingen. Verder, door te kijken naar het patroon van energie verdeeld in de jet en de vervalproducten van elke top-quark te onderscheiden, het was mogelijk om de enorme achtergrond te temmen die werd gegenereerd door veel frequentere (maar hier ongewenste) tweestraalsinteracties.

In de nieuwe krant de kans op het produceren van een top-quarkpaar wordt bestudeerd als een functie van het momentum, invariante massa- en hoekvariabelen die de twee top-quarks beschrijven. De gemeten verdelingen worden vergeleken met verschillende berekeningen die rekening houden met kwantummechanische effecten, zoals de emissie van straling geassocieerd met de top-quarks, of lussen van virtuele deeltjes. De resultaten laten zien dat de huidige berekeningen meer top-quarks voorspellen bij een zeer hoog momentum dan worden waargenomen, bevestiging en verbetering van eerdere metingen gepubliceerd door zowel de ATLAS- als de CMS-experimenten. Opmerkelijk, de invariante massa van de twee top-quarks wordt ook onderzocht met een ongekende statistische precisie bij massa's van meer dan 2 TeV. Deze ontstaan ​​bij proton-proton-botsingen waarbij ongeveer 20 procent van de botsingsenergie is besteed aan het ontstaan ​​van de twee top-quarks.

Natuurkundigen van ATLAS bestudeerden ook de hoekcorrelaties van de twee top-quarks op tekenen van nieuwe natuurkundige processen. Ze werden gevonden in overeenstemming met de voorspelling van het standaardmodel, hoewel er enige onenigheid werd waargenomen in de kinematische verdelingen die verband houden met de deeltjes die terugdeinzen van het top-quarkpaar. Hoewel het totale aantal top-quarkparen lager is dan de voorspelling, het verschil is niet statistisch significant wanneer rekening wordt gehouden met de (grotere) onzekerheden die uit de theorie zelf komen.

De nieuwe ATLAS-waarnemingen benadrukken de behoefte aan nog nauwkeurigere theoretische berekeningen, een beter begrip van de bronnen van onzekerheid en, natuurlijk, meer gegevens! natuurkundigen, theoretici en ingenieurs zijn op alle drie de fronten hard aan het werk.