Measurement of inclusive and differential cross-sections in $pp$ collisions at with the ATLAS detector
Gebruikmakend van 140 fb⁻¹ aan proton-protonbotsingsdata bij 13 TeV verzameld door de ATLAS-detector, presenteert dit artikel de eerste meting van de inclusieve en differentiële dwarsdoorsneden voor het -proces in het trilatentrekkanaal, waarbij resultaten worden gevonden die consistent zijn met voorspellingen van het Standaardmodel en beperkingen worden gesteld op dimensie-6 effectieve veldentheorie-operatoren.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In de uitgestrekte, hoogenergetische botsingen die diep binnen de Large Hadron Collider plaatsvinden, zoeken natuurkundigen voortdurend naar de zeldzaamste en meest ongrijpbare gebeurtenissen. Tot de meest fascinerende hiervan behoren processen waarbij het topquark betrokken zijn, het zwaarste bekende elementaire deeltje, dat slechts een fractie van een seconde bestaat voordat het vervalt in andere deeltjes. Soms wordt dit topquark alleen geproduceerd, in plaats van in paren, en in een specifiek type interactie die bekend staat als de t-kanaal, wordt het vergezeld door een Z-boson, een deeltje dat de zwakke kernkracht draagt. Deze specifieke combinatie, een enkel topquark en een Z-boson, is een zeldzame gebeurtenis die fungeert als een gevoelige sonde voor de fundamentele regels die bepalen hoe materie interageert. Omdat dit proces puur via de zwakke kracht verloopt, biedt het een schoon laboratorium om het Standaardmodel, de heersende theorie van de deeltjesfysica, te testen en te zoeken naar enige subtiele tekenen van nieuwe fysica die buiten ons huidige begrip zou kunnen liggen.
Een onderzoeker die gebruikmaakt van de ATLAS-detector heeft nu de meest precieze meting tot nu toe uitgevoerd van deze zeldzame gebeurtenis. Door een enorme dataset van proton-protonbotsingen te analyseren die werden opgenomen tussen 2015 en 2018, wat overeenkomt met een geïntegreerde luminositeit van 140 inverse femtobarn, waren zij in staat om deze specifieke interacties te isoleren en te tellen. De uitdaging was immens, aangezien het signaal dat zij zochten begraven lag onder een zee van meer voorkomende achtergrondgebeurtenissen. Om het te vinden, concentreerden zij zich op een specifieke handtekening: gebeurtenissen waarbij de botsing drie lichte leptonen (elektronen of muonen) en verschillende jets van deeltjes produceerde, met ten minste één jet die afkomstig is van een bottomquark. Deze unieke combinatie van drie geladen deeltjes en specifieke jet-patronen stelde hen in staat om de ruis weg te filteren en de zeldzame t-kanaalproductie van een topquark en een Z-boson te identificeren.
De onderzoeker mat de snelheid waarmee deze gebeurtenissen voorkomen, bekend als de dwarsdoorsnede, en vond deze 95,2 femtobarn te zijn. Dit resultaat, dat zowel statistische als systematische onzekerheden bevat, komt perfect overeen met de meest geavanceerde voorspellingen van het Standaardmodel. De meting was nauwkeurig genoeg om de productie van topquarks te scheiden van de productie van hun antimaterie-tegenhangers, topantiquarks, en om de ratio tussen hen te bepalen. Deze ratio is bijzonder belangrijk omdat deze afhangt van de interne structuur van het proton, specif van de verdeling van quarks daarin. De gemeten ratio bleek consistent met de theoretische verwachtingen, wat verdere bevestiging biedt dat ons begrip van hoe protonen zijn opgebouwd, correct is.
Buiten het simpelweg tellen van de gebeurtenissen, keken zij naar de gedetailleerde kinematica van de botsing om te zien hoe de deeltjes bewogen en interageerden. Zij maten hoe de energie en richting van de deeltjes varieerden, waardoor een gedetailleerde kaart van het proces werd gemaakt op zowel het niveau van de ruwe deeltjes als op het niveau van de stabiele deeltjes die de detector bereiken. Deze differentiële metingen stellen natuurkundigen in staat om de theorie te testen onder verschillende condities, zoals wanneer de deeltjes worden geproduceerd met zeer hoge energie. De gegevens kwamen overeen met de theoretische voorspellingen over al deze verschillende variabelen heen, wat geen significante afwijkingen liet zien die zouden kunnen wijzen op nieuwe krachten of deeltjes.
De studie onderzocht ook de spin-eigenschappen van het topquark, een kwantumkenmerk dat beschrijft hoe het deeltje roteert. Door de hoeken te analyseren waaronder de vervalproducten werden uitgezonden, berekenden zij een spin-asymmetriewaarde van 0,34. Dit getal, dat een voorkeur beschrijft voor de topquark om met een specifieke oriëntatie te worden geproduceerd, bleek in goede overeenstemming te zijn met de voorspelling van het Standaardmodel. Dit resultaat bevestigt dat de mechanismen die deze zware deeltjes produceren precies zo werken als de huidige theorie dicteert, zelfs wanneer zij worden onderworpen aan de intense controle van een hoogprecisie-meting.
Ten slotte gebruikten zij hun bevindingen om de Standard Model Effective Field Theory te beperken, een raamwerk dat wordt gebruikt om naar nieuwe fysica te zoeken door te kijken naar kleine afwijkingen in hoe deeltjes interageren. Zij onderzochten negen verschillende parameters die potentieel het gedrag van het topquark en het Z-boson zouden kunnen veranderen. De analyse toonde geen bewijs van dergelijke afwijkingen, wat strikte grenzen stelt aan de mogelijke invloed van deze hypothetische effecten. De resultaten bevestigen dat, binnen de precisie van dit experiment, het gedrag van het topquark en het Z-boson volledig consistent is met de gevestigde wetten van de fysica. Deze uitgebreide studie verfijnt niet alleen onze kennis van een zeldzaam proces, maar zet ook een nieuwe standaard voor toekomstige zoektochten naar fysica buiten het Standaardmodel.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.