Een van de meest intrigerende deeltjes die door het ATLAS-experiment zijn bestudeerd, is de top-quark. Als het zwaarste bekende fundamentele deeltje, het speelt een unieke rol in het standaardmodel van de deeltjesfysica, en misschien in de natuurkunde voorbij het standaardmodel.

Tijdens run 2 van de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN, protonenbundels botsten met hoge helderheid op een massamiddelpuntsenergie van 13 TeV. Hierdoor kon ATLAS een ongekend aantal gebeurtenissen detecteren en meten waarbij top-antitop-quarkparen betrokken waren, ATLAS-fysici een unieke kans bieden om inzicht te krijgen in de eigenschappen van de top-quark.

Door stiekeme interferentie tussen deeltjes die betrokken zijn bij de productie, top- en antitop-quarks worden niet gelijk geproduceerd met betrekking tot de protonenbundelrichting in de ATLAS-detector. In plaats daarvan, top-quarks worden bij voorkeur geproduceerd in het centrum van de botsingen van de LHC, terwijl antitop-quarks bij voorkeur onder grotere hoeken worden geproduceerd. Dit staat bekend als een "ladingsasymmetrie".

Ladingsasymmetrie is vergelijkbaar met een fenomeen gemeten bij de Tevatron-versneller bij Fermilab, bekend als een "vooruit-achteruit" asymmetrie. Bij Tevatron, botsende balken waren gemaakt van protonen en anti-protonen, respectievelijk, wat leidde tot top- en antitop-quarks die elk onder niet-centrale hoeken werden geproduceerd, maar in tegengestelde richting. Een voorwaarts-achterwaartse asymmetrie, compatibel met verbeterde standaardmodelvoorspellingen, werd waargenomen.

Het effect van ladingsasymmetrie bij de LHC is naar verwachting extreem klein ( <1%), aangezien de dominante productiewijze van top-quarkparen via de verstrooiing van gluonen (de dragers van de sterke kracht) die uit de protonen komen, geen ladingsasymmetrie vertoont. Een resterende asymmetrie kan alleen worden gegenereerd door meer gecompliceerde verstrooiingsprocessen waarbij ook quarks betrokken zijn. Echter, nieuwe natuurkundige processen die interfereren met de bekende productiewijzen kunnen leiden tot veel grotere (of zelfs kleinere) waarden. Daarom, een nauwkeurige meting van de ladingsasymmetrie is een strenge test van het standaardmodel. Het is een van de meest subtiele, moeilijk, en toch belangrijke eigenschappen om te meten in de studie van top-quarks.

Een nieuw ATLAS-resultaat, deze week gepresenteerd op de European Physical Society Conference on High-Energy Physics (EPS-HEP) in Gent, België, onderzoekt de volledige dataset van Run 2 om de productie van top-antitop te meten in een kanaal waar één top-quark vervalt tot één geladen lepton, een neutrino en één hadronische "jet" (een spray van hadronen); en de andere vervalt tot drie hadronische jets. De analyse omvat volledig gebeurtenissen waarbij de hadronische jets worden samengevoegd (de zogenaamde "versterkte topologie").

ATLAS vindt bewijs van ladingsasymmetrie in top-quarkpaargebeurtenissen, met een significantie van vier standaarddeviaties. De gemeten ladingsasymmetrie van 0,0060 ± 0,0015 (stat+syst.) is compatibel met de nieuwste voorspelling van het standaardmodel, en de meting stelt vol vertrouwen dat de waargenomen asymmetrie niet nul is. Het is de eerste ATLAS-topfysische meting die gebruikmaakt van de volledige Run 2-dataset.

Het nieuwe ATLAS-resultaat markeert een zeer belangrijke mijlpaal na tientallen jaren van metingen. Figuur 1 laat zien dat de dataset ATLAS in staat stelt om de ladingsasymmetrie te meten als functie van de massa van het top-antitopsysteem. Figuur 2 toont de resulterende grenzen aan koppelingen van afwijkende effectieve veldtheorie (EFT) die effecten van nieuwe fysica parametriseren die buiten het bereik zouden liggen om rechtstreeks door de LHC te worden geproduceerd.

Dit nieuwe resultaat is een zoveelste demonstratie van het vermogen van ATLAS om subtiele standaardmodeleffecten met grote precisie te bestuderen. De waargenomen overeenkomst met voorspellingen van het standaardmodel biedt nog een stukje van de puzzel in ons begrip van deeltjesfysica aan de energiegrens.