Los físicos del Experimento ATLAS en el CERN han presentado nuevos y emocionantes resultados en el Décimo Taller Internacional sobre Física Superior de Quark (TOP2017), celebrado en Braga (Portugal). La conferencia reunió a físicos experimentales y teóricos especializados en la partícula elemental más pesada conocida:el quark top.

ATLAS publicó seis nuevos resultados para TOP2017, cubriendo todas las áreas de la física de los quarks superiores, incluyendo mediciones de precisión en un par de quarks top y eventos de quark top individuales, busca nuevos acoplamientos del quark top, y medidas de las propiedades del quark top, en particular su masa.

¿Sencillo o Doble?

Los quarks superiores en las colisiones protón-protón del LHC se producen predominantemente en pares, con un top quark y un top antiquark. ATLAS presentó las primeras medidas de la sección transversal del par de quarks superiores como una función de varias variables que describen las propiedades cinemáticas de la interacción y de los quarks superiores individuales (medidas "diferenciales"). Estas medidas utilizaron eventos que contienen solo chorros, y sin leptones o neutrinos cargados. Normalmente, tales eventos serían abrumados por otros, procesos más mundanos y mucho más abundantes, como interacciones fuertes que implican la producción de gluones o quarks más ligeros. Sin embargo, centrándose en chorros energéticos dentro de los cuales residen los productos de desintegración del quark top, el nuevo resultado ATLAS logra la mejor precisión hasta ahora para este estado final.

Los quarks superiores únicos producidos a través de la interacción débil también son difíciles de identificar, especialmente cuando el quark top se produce en asociación con un bosón W (tW), que tiene antecedentes muy grandes de la producción de pares de quarks superiores. A pesar de estos desafíos experimentales, la colaboración ATLAS lanzó la primera medición diferencial de sección transversal de la producción de tW, utilizando el conjunto de datos completo recopilado en 2015 y 2016. La medición coincide en general con varias predicciones, sin embargo, muestra que los datos tienden a tener un poco más de eventos con objetos de estado final de alto momento.

El mas pesado de todos

Aunque el quark top se descubrió hace más de 30 años, muchas de sus propiedades solo se están midiendo recientemente con alta precisión. La clave para cualquier estudio es la masa del quark top, que proporciona información crucial utilizada para evaluar la consistencia interna del Modelo Estándar e incluso tiene implicaciones para el destino del universo.

Los experimentos enfrentan muchos desafíos al medir la masa del quark top con alta precisión. La identificación de sus múltiples productos de descomposición requiere mediciones de precisión en todas las partes del detector ATLAS; También es esencial el modelado exquisito del evento de colisión de mayor producción y su posterior evolución.

Una nueva medida de ATLAS de la masa del quark top estudió alrededor de 36, 000 eventos de pares de quarks superiores registrados en 2012 y midieron la masa de los quarks superiores con una precisión de ± 0,91 GeV. Cuando esta medición se combina con otras mediciones de masa de quark top de ATLAS, la precisión alcanza ± 0,5 GeV, o 0.3%, que compite con los mejores resultados combinados de otros experimentos.

Moviendo la parte superior hacia adelante

El quark top también es un laboratorio único para estudiar el aspecto del color de interacciones fuertes. "Color" designa la carga de la interacción fuerte. ATLAS presentó mediciones sensibles a esta estructura de color al observar el grado en que dos chorros están orientados entre sí. Otro observable, La llamada asimetría de carga del quark superior (cuánto está alineado el quark superior con la dirección del haz en comparación con el antiquark superior) también es muy útil para probar las características sutiles de la interacción fuerte y podría revelar la presencia de la física más allá del modelo estándar.

ATLAS combinó sus mediciones de asimetría de carga superior con las de la colaboración CMS para reducir las incertidumbres y obtener un resultado más preciso que cualquier medición anterior. Esta es la primera publicación conjunta de ATLAS-CMS relacionada con la física de quarks top y es emblemática de la naturaleza cooperativa de la física de altas energías que también se enfatizó en TOP2017.

¿Nunca, casi?

El quark top también es una herramienta única para buscar directamente nuevas extensiones físicas del modelo estándar. La desintegración del quark top en un bosón Z y un quark ligero a través de la llamada corriente neutra que cambia el sabor (FCNC), que está prohibido en el modelo estándar, es predicha por teorías como la supersimetría o las dimensiones extra. Utilizando el conjunto de datos de 13 TeV recopilados en 2015 y 2016, no se han encontrado interacciones FCNC, y ATLAS ha establecido los límites más estrictos hasta la fecha en este proceso.

Todos estos nuevos y emocionantes resultados allanan el camino para estudios más detallados del quark top con los conjuntos de datos más grandes que se esperan del LHC en la Ejecución 2 y más allá. La colaboración de ATLAS espera continuar con los fructíferos debates entre teóricos y experimentadores sobre sus mediciones.