Figura 1:Sección transversal del par de quarks superior medida por ATLAS en 13, 8 y 7 TeV usando eventos eµ, en comparación con la predicción teórica (banda cian) en función de la energía de colisión. El gráfico inferior muestra la relación entre las mediciones y las predicciones utilizando varias funciones de distribución de partones. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
Como la partícula elemental más pesada conocida, el quark top tiene un lugar especial en la física estudiada en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Los pares de quark-antiquark top se producen copiosamente en las colisiones registradas por el detector ATLAS, proporcionando un rico campo de pruebas para modelos teóricos de colisiones de partículas a las energías accesibles más altas. Cualquier desviación entre las mediciones y las predicciones podría indicar deficiencias en la teoría, o primeros indicios de algo completamente nuevo.
ATLAS Collaboration ha lanzado una nueva medición precisa de la tasa general, o "sección transversal", de la producción de pares de quarks superiores en el LHC. La medición utiliza eventos en los que un quark top se desintegra en un electrón (e), un neutrino y un quark b, mientras que el otro decae a un muón (µ), un neutrino y un b-quark. Esto crea una firma llamativa en el detector, permitiendo a los físicos recolectar una muestra muy limpia de eventos con muy pocos antecedentes. A pesar de representar solo el 2 por ciento de las desintegraciones de pares de quarks superiores, Los físicos de ATLAS examinaron más de 230, 000 eµ eventos recolectados en 2015-2016 durante la Prueba 2 del LHC a 13 TeV.
El nuevo resultado da una medida de la sección transversal del par de quarks superiores de 826 ± 20 picobarns, es decir, una incertidumbre de solo el 2,4 por ciento. Esto concuerda perfectamente con las predicciones teóricas más modernas, y se une a mediciones ATLAS precisas anteriores que utilizaron datos de 7 y 8 TeV (Figura 1). Esta excelente precisión es gracias, en gran parte, a la magnífica reconstrucción del detector de los leptones resultantes (electrones y muones).
Figura 2:Sección transversal diferencial del par top-quark en función de la masa invariante del par top-quark y el momento transversal del quark top, medido por ATLAS a 13 TeV utilizando eventos en el canal de un solo leptón, se comparan con la predicción teórica de los cálculos del orden siguiente al siguiente al primer orden (NNLO). Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
La nueva medición precisa de ATLAS de la sección transversal del par top-quark también se ha utilizado para precisar varios parámetros, incluida la masa del top-quark am t =173,1 ± 2,1 GeV - y para restringir las "funciones de distribución de partones" que caracterizan la estructura interna del protón en términos de sus quarks y gluones constituyentes.
También se han medido con precisión las energías y distribuciones angulares de los leptones producidos (es decir, su "cinemática"). Estos se compararon con las predicciones de varios programas de "generadores de eventos", utilizado para modelar eventos de top-quark en el LHC. Los físicos de ATLAS notaron varias discrepancias, apuntando a la necesidad de cálculos teóricos más precisos para describir mejor las distribuciones del momento leptónico observadas.
Yendo un paso más allá Otro nuevo resultado de ATLAS profundizó en la cinemática de los mismos quarks superiores. Por primera vez en ATLAS, la tasa de producción de pares de quarks superiores se ha medido en función de dos variables cinemáticas simultáneamente (distribuciones 2D, ver figura 2).
Figura 3:Sección transversal diferencial del par de quarks superior en función del momento transversal del quark superior, utilizando 13 eventos de TeV en el canal de un solo leptón. Esto se compara con las predicciones teóricas del generador de eventos Powheg + Pythia8 y los cálculos de NNLO de orden fijo. El gráfico inferior muestra la relación entre las predicciones y la medición. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
Para lograr esto, Los físicos seleccionaron eventos de pares de quarks superiores donde un quark superior decae en un leptón, un neutrino y un quark b, mientras que el otro decae a un par b-quark y quark-antiquark. Estudios de este estado final, denominado canal "de un solo leptón", permitió a los equipos de ATLAS reconstruir con mayor precisión la cinemática del par de quarks superiores, incluso en los casos en los que se producen quarks superiores "impulsados" con un momento transversal extremadamente alto en relación con el eje de colisión. Estos son de interés clave para las nuevas búsquedas de física, ya que las partículas exóticas masivas podrían descomponerse en dos quarks superiores altamente potenciados.
Los físicos compararon las distribuciones medidas con los últimos cálculos teóricos, con estimaciones mejoradas de la tasa de producción en regímenes de alto impulso. Los resultados muestran que los cálculos teóricos predicen más quarks top con un impulso muy alto de los que se observan (Figura 3). Esto confirma y mejora las mediciones anteriores publicadas por los experimentos ATLAS y CMS. Es más, gracias a la forma de la distribución 2D, la tasa de producción de pares de quarks superiores en función de la masa invariante y el momento transversal de los quarks superiores se puede utilizar para futuras mediciones para medir la masa de los quarks superiores.
Tomados en conjunto, Estos dos nuevos resultados proporcionan una gran cantidad de datos para mejorar nuestra comprensión de la producción de pares de quarks superiores, y precisar aún más las propiedades de esta partícula de gran peso.
