Een kwart eeuw na zijn ontdekking, natuurkundigen van het ATLAS-experiment op CERN krijgen nieuw inzicht in het zwaarste bekende deeltje, de top-quark. De enorme hoeveelheid data die is verzameld tijdens Run 2 van de LHC (2015-2018) heeft natuurkundigen in staat gesteld zeldzame productieprocessen van de top-quark tot in detail te bestuderen, inclusief de productie ervan in combinatie met andere zware elementaire deeltjes.

In een nieuwe krant de ATLAS-samenwerking rapporteert de waarneming van een enkele top-quark geproduceerd in samenwerking met een Z-boson (tZq) met behulp van de volledige Run-2-dataset, waardoor eerdere resultaten van ATLAS en CMS worden bevestigd met behulp van kleinere datasets. Om dit nieuwe resultaat te bereiken, natuurkundigen bestudeerden meer dan 20 miljard botsingsgebeurtenissen geregistreerd door de ATLAS-detector, op zoek naar gebeurtenissen met drie geïsoleerde leptonen (elektronen of muonen), een momentum onbalans in het vlak loodrecht (dwars) op de protonenbundel, en twee of drie jets van hadronen afkomstig van de fragmentatie van quarks (met één jet afkomstig van een b-quark). Slechts ongeveer 600 kandidaat-evenementen met een dergelijke handtekening werden geïdentificeerd (d.w.z. het signaalgebied) en, ondanks strenge selectiecriteria, slechts ongeveer 120 daarvan zullen naar verwachting afkomstig zijn uit het tZq-productieproces.

Om hun signaal zo goed mogelijk te scheiden van achtergrondprocessen, Natuurkundigen van ATLAS hebben een kunstmatig neuraal netwerk getraind om tZq-gebeurtenissen te identificeren met behulp van nauwkeurig gesimuleerde gegevens. Het neurale netwerk voorzag elke gebeurtenis van een score (O _NN ) die weergaf hoezeer het op het signaalproces leek. Om te controleren of de simulatie die naar het neurale netwerk werd gevoerd een goede beschrijving van de echte gegevens gaf, natuurkundigen keken naar gebeurtenissen met vergelijkbare kenmerken (controlegebieden) die worden gedomineerd door achtergrondprocessen. Verschillende kinematische verdelingen van de 600 geselecteerde signaalregio-gebeurtenissen werden ook gecontroleerd.

Onderzoekers evalueerden de neurale netwerkscore in zowel signaal- (Figuur 1) als controleregio's, zodat de achtergrondniveaus konden worden beperkt met behulp van echte gegevens. Het tZq-signaal werd geëxtraheerd en de snelheid waarmee dergelijke gebeurtenissen in het gegeven gegevensmonster (d.w.z. de dwarsdoorsnede) werden geproduceerd, werd berekend. De onzekerheid op de geëxtraheerde doorsnede is 14%. Dit is ruim een ​​factor twee nauwkeuriger dan het vorige ATLAS-resultaat, die was gebaseerd op bijna vier keer minder gegevens (van 2015 en 2016). De doorsnede bleek in overeenstemming te zijn met de voorspelling van het standaardmodel, wat bevestigt dat zelfs de zwaarste deeltjes in het standaardmodel zich nog steeds gedragen als puntachtige elementaire deeltjes.

Verder, door te selecteren op gebeurtenissen die door het neurale netwerk zijn geïdentificeerd als zeer waarschijnlijk tZq-gebeurtenissen (O _NN > 0,4), Natuurkundigen van ATLAS zouden kunnen onderzoeken of de kinematische verdelingen goed worden beschreven door de standaardmodelberekeningen. Figuur 2 laat zien dat dit inderdaad het geval is.

Met de observatie van het tZq-productieproces nu bevestigd, ATLAS-onderzoekers kunnen nog gedetailleerder vooruitlopen op het onderzoek. Metingen van de doorsnede als functie van kinematische variabelen zullen natuurkundigen in staat stellen om de interacties van de top-quark met andere deeltjes zorgvuldig te onderzoeken. Zullen meer gegevens enkele onverwachte functies onthullen? Kijk er naar uit om te zien wat de natuur in de topwereld verbergt.