Uniek onder zijn soortgenoten is de top-quark - een fascinerend deeltje dat de wetenschappelijke gemeenschap sinds de jaren '90 in detail bestudeert. Zijn grote massa maakt het de enige quark die vervalt voordat het gebonden toestanden vormt (een proces dat bekend staat als hadronisatie) en geeft het de sterkste koppeling met het Higgs-deeltje. Theoretici voorspellen dat het ook sterk kan interageren met nieuwe deeltjes - als dat zo is, de Large Hadron Collider (LHC) is de ideale plek om erachter te komen, aangezien het een 'top-quarkfabriek' is.

Terwijl de meeste top-quarks in paren worden geproduceerd in de LHC, botsingen zullen af ​​en toe enkele top-quarks produceren. De LHC produceerde meer dan 42 miljoen single-top-quarks tijdens de indrukwekkende Run-2-gegevensverzamelingsperiode (2015-2018). In tegenstelling tot de productie van top-quarkpaar, enkele top-quarks worden altijd geproduceerd via de linkshandige elektrozwakke interactie. Dit heeft invloed op de spinrichting van de geproduceerde top-quark, en op zijn beurt, de spin van zijn vervalproducten. Door afzonderlijk geproduceerde top-quarks te bestuderen, natuurkundigen kunnen onderzoeken in welke mate de spin van een top-quark is uitgelijnd in een bepaalde richting (de polarisatie ervan). Deze parameter is bijzonder gevoelig voor nieuwe natuurkundige effecten. In een nieuw resultaat gepresenteerd door de ATLAS Collaboration, natuurkundigen hebben voor het eerst de volledige polarisatievectoren gemeten voor zowel top-quarks als antiquarks.

Storm in een t-kanaal

Onder de verschillende mechanismen die bijdragen aan de productie van single-top-quark, het "t-kanaal" domineert bij de LHC. In het t-kanaal, een top-quark vervalt samen met een ander deeltje, bekend als een 'toeschouwer-quark'. Deze toeschouwer is cruciaal voor het meten van de polarisatie van de top-quark, aangezien wordt verwacht dat de bewegingsrichting ervan samenvalt met de spinrichting van de top-quark - tenminste, meestal. Dit is niet altijd het geval; verder, de draairichting moet verschillen tussen top-quarks en antiquarks.

Om dit gedrag volledig te begrijpen, Natuurkundigen van ATLAS wilden de volledige top-quark- en antiquark-polarisatievectoren meten. Eerst, ze moesten onderscheid maken tussen top-quarks geproduceerd in het t-kanaal en andere processen die dezelfde signatuur achterlaten in de detector. Onderzoekers zochten in hun botsingsgebeurtenissen naar de karakteristieke kenmerken van het t-kanaal; namelijk, gebeurtenissen met twee jets in de eindtoestand (de spectator-quark en de bottom-quark van het top-quarkverval) of een spectator-quark met grote pseudo-snelheid. Hun resulterende selectie is vrij zuiver in enkelvoudig geproduceerde top-quarks met t-kanaal.

Na de productie ervan, het top-quark vervalt bijna uitsluitend in een W-boson en een bottom-quark. Het W-boson vervalt verder tot een paar quarks (hadronisch kanaal) of een lepton en een neutrino (leptonisch kanaal). Het leptonische kanaal is vooral interessant voor natuurkundigen, aangezien de hoekverdelingen van het lepton nauw verband houden met de spin van de top-quark. Nieuwe resultaten van de ATLAS-samenwerking maken gebruik van deze functie om - voor de eerste keer - de volledige polarisatievectoren voor zowel top-quarks als antiquarks te leveren (zie figuur 1). Er is een enorme mate van polarisatie in de richting van de jet van de toeschouwer-quark voor top-quarks, en tegen die richting in voor top antiquarks.

Verder, Natuurkundigen van ATLAS maten de differentiële doorsnede van de top-quark als functie van deze hoekverdelingen. Hun metingen zijn zo gegeven dat ze direct kunnen worden vergeleken met huidige en toekomstige theoretische voorspellingen. Figuur 2 toont een van de drie differentiële dwarsdoorsnedemetingen van de t-kanaalproductie als functie van de hoekverdelingen van het geladen lepton. De resultaten zijn in overeenstemming met de voorspellingen van het standaardmodel.

Exploitant! Geef me nieuwe natuurkunde aan de lijn

De nieuwe analyse van ATLAS maakt ook belangrijke vorderingen in de zoektocht naar fenomenen die verder gaan dan het standaardmodel. Vooral, nieuwe deeltjes die niet direct bij de LHC kunnen worden geproduceerd, zouden toch een aanzienlijk effect hebben op de in deze analyse gemeten verdelingen. Door deze te bestuderen, krijgen onderzoekers een modelonafhankelijke manier om mogelijke afwijkingen van de theoretische voorspellingen te beschrijven in termen van operatoren, die nul zijn in het standaardmodel.

Concreet, ATLAS-onderzoekers keken naar de "OtW-dipooloperator". Deze operator heeft zowel een reëel als een imaginair deel; de laatste is van bijzonder belang, omdat het niet toegankelijk is bij de productie van topparen en niet-nulwaarden een CP-schendingscomponent in de top-quarksector impliceren. Het nieuwe ATLAS-resultaat stelt beperkingen aan het reële en imaginaire deel van deze coëfficiënt. Bij een betrouwbaarheidsniveau van 95%, het reële deel is beperkt binnen [-0.7, 1.5] en het denkbeeldige deel binnen [-0.7, 0.2], beide compatibel met nul. Voor het denkbeeldige deel, de opgegeven limieten zijn de strengste tot nu toe van experimenten met hoge energie.