Sinds enkele decennia is deeltjesfysici hebben geprobeerd de natuur op de kleinste afstanden beter te begrijpen door deeltjes met de hoogste energieën te laten botsen. Hoewel het standaardmodel van deeltjesfysica met succes de meeste resultaten van experimenten heeft verklaard, veel verschijnselen blijven verbijsterend. Dus, nieuwe deeltjes, er moeten krachten of meer algemene concepten bestaan ​​en – als de geschiedenis van de deeltjesfysica een indicatie is – zouden ze heel goed kunnen worden onthuld aan de hoogenergetische grens.

Een veelbelovende proeftuin voor dergelijke nieuwe fysica is "productie van vier top-quarks, " een ongrijpbaar standaardmodelproces dat nog niet experimenteel is waargenomen. In deze productie, twee paren top-quarks – de zwaarste bekende elementaire deeltjes – ontstaan ​​gelijktijdig bij een botsing, dus het concentreren van een enorme hoeveelheid energie in een enkel punt. Dit is zo zeldzaam dat in de dataset van 30 miljoen top-quarkparen geanalyseerd door het ATLAS-experiment bij CERN voor deze studie, slechts ongeveer 350 botsingen zullen naar verwachting vier top-quarks hebben geproduceerd.

De ATLAS-samenwerking heeft zojuist zijn laatste resultaten vrijgegeven over de zoektocht naar de productie van vier top-quarks op basis van proton-protonbotsingsgegevens die in 2015 en 2016 zijn verzameld bij de Large Hadron Collider (LHC). Als een top-quark vervalt, het geeft aanleiding tot "eindtoestanden" met ofwel drie (lichtere) quarks of een quark, een neutrino en een geladen lepton. Vandaar, gebeurtenissen waarbij vier top-quarks tegelijkertijd worden geproduceerd, kunnen zeer verschillende topologieën van de eindtoestand hebben, afhankelijk van de combinatie van deze vervalsingen. Natuurkundigen van ATLAS hebben deze topologieën afzonderlijk geanalyseerd voordat ze voor het eindresultaat werden gecombineerd.

Al deze eindtoestanden worden gekenmerkt door de aanwezigheid van veel hoogenergetische deeltjes. Hoewel dit de vier-top signaalsignaturen gemakkelijker maakt om te onderscheiden van achtergrondprocessen, het maakt het ook moeilijker om te voorspellen hoeveel achtergrondgebeurtenissen ten onrechte worden geïdentificeerd als vier-top-quark-productiegebeurtenissen. ATLAS-teams implementeerden daarom geavanceerde nieuwe analysetechnieken om de hoeveelheid achtergrond in deze "drukke" omgevingen in te schatten. In combinatie met de uitstekende detectorprestaties, een resultaat met ongekende gevoeligheid werd bereikt, exclusief een signaal met een productiesnelheid groter dan 2,1 keer de snelheid voorspeld door het standaardmodel (te vergelijken met een factor 11,6 voor de vorige meest gevoelige zoekopdracht).

De data-analyse resulteerde in een kleine, nog geen significant viertopsignaal van 2,8 standaarddeviaties, wat een waargenomen bovengrens oplevert van 5,3 keer de standaardmodelsnelheid. Zou dit een hint kunnen zijn of gewoon een statistische fluctuatie? Alleen een bijgewerkt resultaat met behulp van de grotere beschikbare dataset en een nog slimmere analyse kan vertellen.