De ATLAS-samenwerking bij CERN heeft sterk bewijs aangekondigd voor de productie van vier topquarks. Dit zeldzame standaardmodelproces zal naar verwachting slechts één keer voorkomen voor elke 70 duizend paren van top-quarks die zijn gemaakt bij de Large Hadron Collider (LHC) en het is buitengewoon moeilijk te meten gebleken.

De top-quark is het meest massieve elementaire deeltje in het standaardmodel, klokt in op 173 GeV, wat overeenkomt met de massa van een goudatoom. Maar in tegenstelling tot goud, waarvan de massa voornamelijk te wijten is aan de nucleaire bindende kracht, de top-quark krijgt al zijn massa door de interactie met het Higgs-veld. Dus wanneer vier top-quarks worden geproduceerd in een enkele gebeurtenis, ze creëren de zwaarste eindtoestand ooit gezien in de LHC, met in totaal bijna 700 GeV. Dit is een ideale omgeving om te zoeken naar nieuwe fysica met nog onbekende deeltjes die bijdragen aan het proces. Mochten ze bestaan, natuurkundigen zullen extra productie van vier top-quarks zien boven wat wordt voorspeld door het standaardmodel, verdere motivatie voor een gedetailleerde studie van het proces.

In hun nieuwe zoektocht naar de productie van vier top-quarks, Natuurkundigen van ATLAS bestudeerden de volledige Run 2-dataset die tussen 2015 en 2018 is geregistreerd. Wanneer geproduceerd door proton-protonbotsingen bij de LHC, dit proces laat spectaculaire handtekeningen achter in de ATLAS-detector. De vier top-quarks produceren vier W-bosonen en vier jets - gecollimeerde deeltjesnevels - afkomstig van onderste quarks. De W bosonen dan, beurtelings, elk verval in twee jets of één geladen lepton (elektron, muon- of tau-leptonen) en een onzichtbaar neutrino. Als laatste stap, de tau-leptonen vervallen tot een lichtere lepton of een jet, met extra neutrino's.

Voor dit resultaat is natuurkundigen kozen ervoor om zich te concentreren op botsingsgebeurtenissen die twee leptonen met dezelfde lading of drie leptonen produceerden. Ondanks dat ze slechts 12% van alle vier-top-quarkverval voor hun rekening nemen, deze handtekeningen zijn gemakkelijker te onderscheiden van achtergrondprocessen in de ATLAS-detector. Het detecteren van een signaal vereiste niettemin een gedetailleerd begrip van de resterende achtergrondprocessen en het gebruik van geavanceerde scheidingstechnieken.

Natuurkundigen van ATLAS hebben een multivariate discriminant (versterkte beslissingsboom) getraind met behulp van de verschillende kenmerken van het signaal, inclusief het hoge aantal jets, hun oorsprong in kwarksmaak (bottom quark of niet), en de energieën en hoekverdelingen van de gemeten deeltjes. De belangrijkste achtergrondprocessen die op het signaal lijken, komen voort uit de productie van een paar top-quarks in combinatie met andere deeltjes, zoals een W- of Z-boson, een Higgs-deeltje, of een andere top-quark. Sommige van deze processen zijn zelf pas recentelijk waargenomen door de ATLAS- en CMS-samenwerkingen.

Elk achtergrondproces werd afzonderlijk geëvalueerd, voornamelijk door middel van speciale simulaties die informatie bevatten uit de best beschikbare theoretische voorspellingen. De moeilijkste achtergrondprocessen - de productie van top-quarkparen met een W-boson en achtergronden met nepleptonen - moesten worden bepaald met behulp van gegevens uit speciale controleregio's. Valse leptonen ontstaan ​​wanneer de lading van een lepton verkeerd wordt geïdentificeerd, of wanneer leptonen uit een ander proces komen, maar worden toegeschreven aan het signaal. Beide moesten goed worden begrepen en nauwkeurig worden geëvalueerd om de systematische onzekerheid over het eindresultaat te verminderen.

ATLAS heeft de doorsnede voor de productie van vier topquarks gemeten op 24 ⁺⁷ _–6 fb, wat consistent is met de voorspelling van het standaardmodel (12 fb) bij 1,7 standaarddeviaties. De signaal significantie bedraagt ​​4,3 standaarddeviaties, voor een verwachte significantie van 2,4 standaarddeviaties waren het vier-top-quark-signaal gelijk aan de voorspelling van het standaardmodel. De meting levert sterk bewijs voor dit proces.

Aanvullende gegevens van de volgende LHC-run - samen met verdere ontwikkelingen van de gebruikte analysetechnieken - zullen de precisie van deze uitdagende meting verbeteren.