Als het zwaarste bekende elementaire deeltje, de top-quark heeft een speciale plaats in de fysica die wordt bestudeerd aan de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN. Top-quark-antiquark-paren worden overvloedig geproduceerd in botsingen die zijn geregistreerd door de ATLAS-detector, biedt een rijke proeftuin voor theoretische modellen van deeltjesbotsingen bij de hoogst bereikbare energieën. Eventuele afwijkingen tussen metingen en voorspellingen kunnen wijzen op tekortkomingen in de theorie – of eerste hints van iets geheel nieuws.

De ATLAS-samenwerking heeft een nieuwe nauwkeurige meting vrijgegeven van de algehele snelheid - of "dwarsdoorsnede" - van de productie van top-quarkpaar bij de LHC. De meting maakt gebruik van gebeurtenissen waarbij een top-quark vervalt tot een elektron (e), een neutrino en een b-quark, terwijl de andere vervalt tot een muon (µ), een neutrino en een b-quark. Hierdoor ontstaat een opvallende signatuur in de detector, waardoor natuurkundigen een zeer zuivere steekproef van gebeurtenissen kunnen verzamelen met heel weinig achtergrond. Ondanks dat ze slechts verantwoordelijk zijn voor 2 procent van het verval van het top-quarkpaar, ATLAS-fysici onderzochten meer dan 230, 000 eµ-gebeurtenissen verzameld in 2015-2016 tijdens Run 2 van de LHC bij 13 TeV.

Het nieuwe resultaat geeft een meting van de doorsnede van het top-quarkpaar van 826 ± 20 picobarns, dat wil zeggen een onzekerheid van slechts 2,4 procent. Dit komt perfect overeen met de meest geavanceerde theoretische voorspellingen, en voegt zich bij eerdere nauwkeurige ATLAS-metingen die 7 en 8 TeV-gegevens gebruikten (Figuur 1). Deze uitstekende precisie is dankzij, voor een groot deel, tot de uitstekende reconstructie van de resulterende leptonen (elektronen en muonen) door de detector.

ATLAS' nieuwe nauwkeurige meting van de doorsnede van het top-quarkpaar is ook gebruikt om verschillende parameters vast te stellen, waaronder de top-quarkmassa tot m _t =173,1 ± 2,1 GeV - en om de "partonverdelingsfuncties" die de interne structuur van het proton kenmerken in termen van zijn samenstellende quarks en gluonen, te beperken.

De energieën en hoekverdelingen van de geproduceerde leptonen (d.w.z. hun "kinematica") zijn ook nauwkeurig gemeten. Deze werden vergeleken met voorspellingen van verschillende "event generator" programma's, gebruikt om top-quarkgebeurtenissen in de LHC te modelleren. Natuurkundigen van ATLAS merkten verschillende discrepanties op, wijzend op de noodzaak van nauwkeurigere theoretische berekeningen om de waargenomen lepton-impulsverdelingen beter te beschrijven.

Nog een stap verder gaan, een ander nieuw ATLAS-resultaat dook dieper in de kinematica van de top-quarks zelf. Voor het eerst in ATLAS, de snelheid van de productie van top-quarkpaar is gemeten als functie van twee kinematische variabelen tegelijk (2D-verdelingen, zie figuur 2).

Om dit te bereiken, natuurkundigen selecteerden top-quark-pair-gebeurtenissen waarbij één top-quark vervalt tot een lepton, een neutrino en een b-quark, terwijl de andere vervalt tot een b-quark en quark-antiquark paar. Studies van deze eindtoestand, aangeduid als "single-lepton"-kanaal, stelde ATLAS-teams in staat om de kinematica van het top-quark-paar nauwkeuriger te reconstrueren, ook in gevallen waarin "versterkte" top-quarks met een extreem hoog transversaal momentum ten opzichte van de botsingsas worden geproduceerd. Deze zijn van groot belang voor nieuwe natuurkundige zoekopdrachten, aangezien massieve exotische deeltjes zouden kunnen vervallen tot twee sterk versterkte top-quarks.

Natuurkundigen vergeleken de gemeten verdelingen met de laatste theoretische berekeningen, met verbeterde ramingen van de productiesnelheid in regimes met een hoog momentum. De resultaten laten zien dat theoretische berekeningen meer top-quarks voorspellen bij een zeer hoog momentum dan worden waargenomen (Figuur 3). Dit bevestigt en verbetert eerdere metingen die zijn gepubliceerd door zowel de ATLAS- als de CMS-experimenten. Bovendien, dankzij de vorm van de 2D-verdeling, de productiesnelheid van het top-quark-paar als functie van de invariante massa en het transversale momentum van het top-quark kunnen worden gebruikt voor toekomstige metingen om de massa van het top-quark te meten.

Bij elkaar genomen, deze twee nieuwe resultaten bieden een schat aan gegevens om ons begrip van de productie van top-quarkpaar te verbeteren, en om de eigenschappen van dit zwaargewicht deeltje verder vast te stellen.