Measurement of the element of the CKM matrix using events in pp collisions at = 13 TeV
Unter Verwendung von 138 fb an Proton-Proton-Kollisionsdaten bei 13 TeV, die vom CMS-Experiment gesammelt wurden, präsentiert diese Arbeit eine Messung des CKM-Matrizenelements , die aus der Verzweigungsverhältnis des seltenen -Zerfalls in Top-Quark-Paar-Ereignissen abgeleitet wurde, was einen Wert von ergibt, der eine komplementäre, nicht-perturbative-QCD-unabhängige Bestimmung auf der elektroschwachen Skala bietet.
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Das Universum ist aus einer Handvoll fundamentaler Teilchen aufgebaut, die durch Kräfte miteinander interagieren, aber die Regeln, die bestimmen, wie sich diese Teilchen von einem Typ in einen anderen verwandeln, sind in einer spezifischen mathematischen Tabelle geschrieben, die als Cabibbo–Kobayashi–Maskawa-Matrix bekannt ist. Diese Tabelle fungiert als Regelwerk für die schwache Kernkraft und legt die Wahrscheinlichkeit fest, mit der sich ein schweres Quark in ein leichteres verwandelt. Ein Eintrag in dieser Tabelle, der die Transformation eines Bottom-Quarks in ein Charm-Quark darstellt, war lange Zeit Gegenstand intensiver Untersuchung. Physiker haben diesen Wert mit zwei verschiedenen Methoden gemessen: einerseits durch das Beobachten des Zerfalls schwerer Teilchen, was komplexe theoretische Berechnungen zur Interpretation erfordert, und andererseits durch die Beobachtung ähnlicher Zerfälle, die auf anderen Berechnungen beruhen. Jahrelang widersprachen sich diese beiden Methoden mit einer Spanne, die darauf hindeutet, dass etwas in unserem aktuellen Verständnis der Physik fehlen könnte. Um diese Spannung aufzulösen, benötigten Wissenschaftler einen dritten Weg, um diesen Wert zu messen, der nicht auf denselben komplizierten Berechnungen basierte, die den Widerspruch verursacht hatten.
Forscher am Large Hadron Collider haben nun diese unabhängige Messung geliefert, indem sie den Zerfall von Top-Quarks beobachteten, den schwersten bekannten Elementarteilchen. Wenn zwei Protonen mit hoher Geschwindigkeit kollidieren, erzeugen sie gelegentlich ein Paar von Top-Quarks. Diese Teilchen sind so instabil, dass sie fast augenblicklich verschwinden, indem sie sich in ein W-Boson und ein Bottom-Quark verwandeln. Das W-Boson zerfällt dann weiter, manchmal in ein Paar von Quarks. In der überwiegenden Mehrheit der Fälle zerfällt das W-Boson in das üblichste Paar von Quarks, aber sehr selten zerfällt es in ein Bottom-Quark und ein Charm-Quark. Dieses seltene Ereignis ist der Schlüssel zur Messung. Da das Top-Quark so schnell zerfällt, ist das von ihm erzeugte W-Boson im Wesentlichen „on-shell“, was bedeutet, dass es sich genau wie im Standardmodell vorhergesagt verhält, ohne die unordentlichen Komplikationen der internen Struktur größerer Teilchen. Dies ermöglicht es Physikern, die Transformationswahrscheinlichkeit direkt zu messen, frei von den theoretischen Unsicherheiten, die früheren Versuche belasteten.
Das CMS-Experiment, ein massiver Detektor, der darauf ausgelegt ist, die Trümmer dieser Kollisionen zu erfassen, analysierte Daten, die einer integrierten Luminosität von 138 fb⁻¹ aus Proton-Proton-Kollisionen entsprechen. Das Team konzentrierte sich auf eine spezifische Signatur, bei der eines der W-Bosonen aus dem Top-Quark-Paar in ein einzelnes Elektron oder Myon zerfällt, während das andere in zwei Jets von Teilchen zerfällt. Um das seltene Signal zu finden, bei dem das hadronische W-Boson ein Bottom- und ein Charm-Quark erzeugt, mussten die Forscher es vom überwältigenden Hintergrund von Ereignissen unterscheiden, bei denen das W-Boson die viel häufigeren Paare von Up- und Down-Quarks oder Charm- und Strange-Quarks erzeugt. Sie verwendeten einen hochentwickelten Computeralgorithmus, der darauf trainiert wurde, den einzigartigen „Flavor“ der beteiligten Teilchen zu erkennen. Dieser Algorithmus suchte nach den Spuren, die die Teilchen hinterließen, und der Energie, die sie deponierten, wobei er speziell nach den charakteristischen Anzeichen suchte, die auftreten, wenn ein Bottom-Quark und ein Charm-Quark gemeinsam in den Trümmern des W-Boson-Zerfalls erscheinen.
Nachdem sie die Daten gefiltert hatten, fanden die Forscher ein Signal, das mit dem seltenen Zerfall konsistent ist. Sie berechneten den Wert des Matrizenelements auf 0,0459, mit einem Unsicherheitsbereich, der sowohl statistische Fluktuationen als auch systematische Fehler in der Messung berücksichtigt. Dieses Ergebnis steht im Rahmen der Unsicherheiten im Einklang mit den inklusiven und exklusiven Bestimmungen der beiden vorherigen Methoden, was darauf hindeutet, dass die Diskrepanz aufgelöst werden könnte, sobald präzisere Daten verfügbar sind, oder dass die aktuellen Messungen innerhalb ihrer Fehlertoleranzen konsistent sind. Die Messung ist noch nicht präzise genug, um definitiv einen Gewinner unter den konkurrierenden Theorien zu küren, aber sie bietet eine entscheidende, unabhängige Überprüfung, die nicht von denselben theoretischen Inputs wie die anderen abhängt. Durch die Bestätigung, dass der Zerfall eines W-Bosons auf der Energieskala des Top-Quarks den erwarteten Mustern folgt, stärkt die Studie das Standardmodell und bietet gleichzeitig einen neuen Weg, um die subtilen Unterschiede zu untersuchen, die auf neue Physik hindeuten könnten. Die Arbeit zeigt, dass selbst in einem Meer aus gewöhnlichen Ereignissen seltene Prozesse isoliert und mit genügend Präzision gemessen werden können, um die fundamentalen Gesetze der Natur zu testen.
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