CERN's Large Hadron Collider (LHC) staat bekend om het botsen van protonen bij wereldrecordenergieën, maar soms loont het om de energie te verlagen en te kijken wat er gebeurt onder minder extreme omstandigheden. De LHC begon in 2010 met een botsingsenergie van 7 TeV, en liep van 2015 tot 2018 op 13 TeV. Maar voor een week in 2017, de LHC produceerde botsingen met matige intensiteit bij slechts 5 TeV, waardoor wetenschappers de productie van verschillende elementaire deeltjes bij een lagere botsingsenergie konden analyseren.

Een deeltje dat ze vooral wilden bestuderen, was de top-quark. Als het zwaarste bekende elementaire deeltje, de snelheid (of doorsnede) voor het produceren van top-quarkparen hangt sterk af van de bereikte botsingsenergie. Door de productiesnelheid te meten bij verschillende energieën, wetenschappers kunnen meer te weten komen over de verdelingen van de quarks en gluonen waaruit het proton bestaat.

De ATLAS-samenwerking bij CERN heeft een nieuwe meting vrijgegeven van de productiesnelheid van top-quarkpaar in het 5 TeV-gegevensmonster. Met slechts een enkele week aan gegevens, hun uiteindelijke meting heeft een onzekerheid van slechts 7,5%. Deze onzekerheid is voornamelijk te wijten aan de zeer kleine omvang van de 5 TeV-gegevenssteekproef, met systematische onzekerheden met betrekking tot de kalibratie van de LHC-helderheid en de experimentele respons van slechts een paar procent.

Top-quarks vervallen snel en laten een duidelijke signatuur achter in de detector. Om top-pair botsingen te herkennen, Natuurkundigen van ATLAS zochten naar gebeurtenissen met twee elektronen, twee muonen, of een elektron-muonpaar, een of twee 'b-gelabelde' jets van deeltjes (afkomstig van b-quarkverval), en een aanzienlijke onbalans in het momentum die wijst op de aanwezigheid van een neutrino. Deze selectie onderdrukt achtergrondgebeurtenissen sterk door de productie van andere soorten deeltjes, vooral in het geval van elektron-muongebeurtenissen. In gebeurtenissen met ofwel twee elektronen of twee muonen, er is nog steeds een grote achtergrond van gebeurtenissen met Z-bosonen om mee te kampen. Natuurkundigen verminderden deze achtergrond met behulp van de gemeten energieën en hoeken van de elektronen en muonen, vereisen dat hun combinatie inconsistent is met afkomstig van een Z-bosonverval.

De nieuwe meting wordt weergegeven in de grafiek in dit artikel (de rode driehoek). Eerdere metingen bij hogere energieën van alleen elektronen-muon-gebeurtenissen zijn ook inbegrepen. De doorsnede bij 5 TeV is ruim een ​​factor tien kleiner dan bij de hoogste energie van 13 TeV. Alle metingen komen uitstekend overeen met theoretische voorspellingen, die de theorie van kwantumchromodynamica combineren met kennis van de interne structuur van het proton.

Dergelijke vergelijkingen dienen om het begrip van proton-protonbotsingen te valideren, en fungeren als springplank naar de volgende LHC-run die in 2022 begint, waar CERN hoopt de LHC-botsingsenergie verder te verhogen naar 14 TeV.