Vista 3D del imán del LHC. Crédito:D. Dominguez &M. Brice / CERN
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN es famoso por colisionar protones a energías récord mundial, pero a veces vale la pena reducir la energía y ver qué sucede en condiciones menos extremas. El LHC comenzó a funcionar en 2010 con una energía de colisión de 7 TeV, y funcionó a 13 TeV de 2015 a 2018. Pero durante una semana en 2017, el LHC produjo colisiones de intensidad moderada a solo 5 TeV, lo que permitió a los científicos analizar la producción de varias partículas elementales con una energía de colisión más baja.
Una partícula que estaban especialmente interesados en estudiar fue el quark top. Como la partícula elemental más pesada conocida, la tasa (o sección transversal) para producir pares de quarks top depende en gran medida de la energía de colisión lograda. Midiendo la tasa de producción a diferentes energías, los científicos pueden aprender más sobre las distribuciones de los quarks y gluones que componen el protón.
La Colaboración ATLAS en el CERN ha lanzado una nueva medición de la tasa de producción de pares de quarks superiores en la muestra de datos de 5 TeV. Con solo una semana de datos, su medición final tiene una incertidumbre de solo el 7,5%. Esta incertidumbre se debe principalmente al tamaño muy pequeño de la muestra de datos de 5 TeV, con incertidumbres sistemáticas relacionadas con la calibración de la luminosidad del LHC y la respuesta experimental siendo solo un pequeño porcentaje.
Los quarks superiores se desintegran rápidamente y dejan una marca distintiva en el detector. Para detectar eventos de colisión de pares superiores, Los físicos de ATLAS buscaron eventos con dos electrones, dos muones, o un par de electrones-muones, uno o dos chorros de partículas con 'etiqueta b' (procedentes de desintegraciones de quarks b), y un desequilibrio de impulso significativo que indica la presencia de un neutrino. Esta selección suprime en gran medida los eventos de fondo de la producción de otros tipos de partículas, particularmente en el caso de eventos de electrones-muones. En eventos con dos electrones o dos muones, todavía hay un gran trasfondo de eventos con bosones Z con los que lidiar. Los físicos redujeron este fondo utilizando las energías medidas y los ángulos de los electrones y muones, requiriendo que su combinación sea inconsistente con el origen de una desintegración del bosón Z.
Sección transversal de producción del par superior en función de la energía de colisión, mostrando las medidas de ATLAS (círculos negros y triángulo rojo) en comparación con la predicción teórica (banda cian). Los gráficos inferiores muestran la relación entre las mediciones y la predicción utilizando varias funciones de distribución de partones, es decir, parametrizaciones de la estructura interna del protón utilizando diferentes supuestos y conjuntos de datos de entrada. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
La nueva medida se muestra en el gráfico presentado en este artículo (el triángulo rojo). También se incluyen mediciones previas a energías más altas de eventos de electrones-muones solamente. La sección transversal a 5 TeV es más de un factor diez menor que la de la energía más alta de 13 TeV. Todas las mediciones están en excelente acuerdo con las predicciones teóricas, que combinan la teoría de la cromodinámica cuántica con el conocimiento de la estructura interna del protón.
Estas comparaciones sirven para validar la comprensión de las colisiones protón-protón, y actuar como un trampolín para la próxima ejecución del LHC a partir de 2022, donde el CERN espera aumentar aún más la energía de colisión del LHC hacia 14 TeV.
