Als het zwaarste bekende deeltje, de top-quark speelt een sleutelrol in studies van fundamentele interacties. Door de korte levensduur, de top-quark vervalt voordat hij in een hadron kan veranderen. Dus, zijn eigenschappen worden behouden en overgedragen aan zijn vervalproducten, die op hun beurt kunnen worden gemeten in experimenten met hoge-energiefysica. Dergelijke studies vormen een uitstekende proeftuin voor het standaardmodel en kunnen aanknopingspunten bieden voor nieuwe fysica.

Een belangrijke parameter die door de ATLAS-samenwerking bij CERN is onderzocht, is de "vervalbreedte" van de top-quark, die gerelateerd is aan de levensduur en vervalmodi van het deeltje. Verval als gevolg van nieuwe fysica kan de vervalbreedte veranderen, waardoor de precieze meting bijzonder belangrijk is. In het standaardmodel, theoretische berekeningen voorspellen een waarde voor de vervalbreedte van 1,32 GeV voor een top-quarkmassa van 172,5 GeV.

De ATLAS-samenwerking presenteerde een nieuwe meting van de top-quarkvervalbreedte op het Lepton Photon Symposium in Toronto, Canada. De analyse maakt gebruik van de volledige dataset van Run 2 de Large Hadron Collider (LHC) - met een overeenkomstige geïntegreerde lichtsterkte van 139 fb ⁻¹ – om de beste precisie van ATLAS tot nu toe te bieden.

De nieuwe analyse neemt een directe benadering van de meting van de top-quarkvervalbreedte. Natuurkundigen van ATLAS selecteerden botsingsgebeurtenissen waarbij paren van top-quarks vervallen in twee geladen leptonen (elektronen of muonen) met tegengestelde elektrische lading. Dit vervalkanaal heeft een hogere zuiverheid van signaalgebeurtenissen en kleinere systematische onzekerheden in vergelijking met alternatieve kanalen. ATLAS heeft de invariante massa van de leptonen gemeten en de resulterende "b-jets" van top-quarkverval waargenomen in de detector, om de vervalbreedte van de top-quark te bepalen.

De invariante massa van het lepton en een b-jet (m _pond ) is gevoelig voor de vervalbreedte van de top-quark, maar alleen als beide afkomstig zijn van het verval van dezelfde top-quark. Natuurkundigen gebruikten een eenvoudig criterium, kijkend naar de minimale hoekafstand tussen het geladen lepton en de jet, om ze op elkaar af te stemmen en hun invariante massa te reconstrueren.

De nieuwe meting van de vervalbreedte van de top-quark wordt gedomineerd door systematische onzekerheden die voornamelijk voortkomen uit de meting van straalenergieën. Om met deze onzekerheden om te gaan, Natuurkundigen van ATLAS gebruikten een nieuwe benadering van de pasvorm die sjablonen combineerde, die verschillende waarden van de vervalbreedte vertegenwoordigen, en een profiel-waarschijnlijkheidstechniek, waar de bronnen van systematische onzekerheden direct de fit binnenkomen. Natuurkundigen testten de aanpassingsprocedure om de pasvormstabiliteit en robuustheid voor statistische effecten te garanderen. Inderdaad, er werden tests uitgevoerd met een volledig systematisch model om te verifiëren dat de procedure de vervalbreedte kon reproduceren die werd voorspeld door het standaardmodel, evenals eventuele afwijkingen. Deze nieuw ontwikkelde techniek, combinatie van sjabloon- en profiel-waarschijnlijkheidspassen, kan worden gebruikt in andere metingen buiten de top-quarkfysica.

Het nieuwe ATLAS-resultaat geeft een waarde van de top-quark-vervalbreedte van 1,9 ± 0,5 GeV, in overeenstemming met het standaardmodel. Dit markeert een aanzienlijke verbetering in precisie in vergelijking met eerdere metingen die 8 TeV LHC-gegevens analyseren.