Un cuarto de siglo después de su descubrimiento, Los físicos del Experimento ATLAS en el CERN están obteniendo nuevos conocimientos sobre la partícula más pesada conocida, el quark top. La enorme cantidad de datos recopilados durante la ejecución 2 del LHC (2015-2018) ha permitido a los físicos estudiar con gran detalle los procesos de producción raros del quark top. incluyendo su producción en asociación con otras partículas elementales pesadas.

En un nuevo periódico ATLAS Collaboration informa la observación de un solo quark top producido en asociación con un bosón Z (tZq) utilizando el conjunto de datos completo Run-2, confirmando así los resultados anteriores de ATLAS y CMS utilizando conjuntos de datos más pequeños. Para lograr este nuevo resultado, Los físicos estudiaron más de 20 mil millones de eventos de colisión registrados por el detector ATLAS, buscando eventos con tres leptones aislados (electrones o muones), un desequilibrio de momento en el plano perpendicular (transversal) al haz de protones, y dos o tres chorros de hadrones que se originan a partir de la fragmentación de los quarks (con un chorro que se origina en un quark b). Solo se identificaron alrededor de 600 eventos candidatos con dicha firma (es decir, la región de la señal) y, a pesar de los estrictos criterios de selección, Se espera que solo alrededor de 120 de ellos provengan del proceso de producción de tZq.

Para separar mejor su señal de los procesos en segundo plano, Los físicos de ATLAS entrenaron una red neuronal artificial para identificar eventos tZq utilizando datos simulados con precisión. La red neuronal proporcionó a cada evento una puntuación (O _NN ) que representaba cuánto se parecía al proceso de la señal. Para comprobar que la simulación alimentada a la red neuronal dio una buena descripción de los datos reales, Los físicos observaron eventos con firmas similares (regiones de control) que están dominadas por procesos de fondo. También se comprobaron varias distribuciones cinemáticas de los 600 eventos de región de señal seleccionados.

Los investigadores evaluaron la puntuación de la red neuronal tanto en la señal (Figura 1) como en las regiones de control para que los niveles de fondo pudieran restringirse utilizando datos reales. Se extrajo la señal tZq y se calculó la tasa de tales eventos producidos en la muestra de datos dada (es decir, la sección transversal). La incertidumbre en la sección transversal extraída es del 14%. Esto es un factor de dos más preciso que el resultado anterior de ATLAS, que se basó en casi cuatro veces menos datos (de 2015 y 2016). Se encontró que la sección transversal estaba de acuerdo con la predicción del Modelo Estándar, confirmando que incluso las partículas más pesadas en el Modelo Estándar todavía se comportan como partículas elementales puntuales.

Más lejos, seleccionando eventos identificados por la red neuronal como muy probables como eventos tZq (O _NN > 0,4), Los físicos de ATLAS podrían examinar si las distribuciones cinemáticas están bien descritas por los cálculos del Modelo Estándar. La figura 2 muestra que este es efectivamente el caso.

Con la observación del proceso de producción tZq ahora confirmada, Los investigadores de ATLAS pueden anticipar su estudio con mayor detalle. Las mediciones de la sección transversal en función de las variables cinemáticas permitirán a los físicos sondear cuidadosamente las interacciones del quark top con otras partículas. ¿Más datos revelarán algunas características inesperadas? Esperamos ver lo que la naturaleza esconde en el mundo superior.