Único entre sus pares es el quark top, una partícula fascinante que la comunidad científica ha estado estudiando en detalle desde los años noventa. Su gran masa lo convierte en el único quark que decae antes de formar estados ligados (un proceso conocido como hadronización) y le da el acoplamiento más fuerte al bosón de Higgs. Los teóricos predicen que también puede interactuar fuertemente con nuevas partículas; si lo hace, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es el lugar ideal para averiguarlo, ya que es una "fábrica de quarks top".

Si bien la mayoría de los quarks superiores se producen en pares en el LHC, Las colisiones ocasionalmente producirán quarks top únicos. El LHC produjo más de 42 millones de quarks top individuales durante su impresionante período de toma de datos Run-2 (2015-2018). A diferencia de la producción de pares de quarks superiores, Los quarks single top siempre se producen a través de la interacción electrodébil para zurdos. Esto afecta la dirección de giro del quark top producido, y a la vez, el giro de sus productos de descomposición. Al estudiar los top quarks producidos individualmente, los físicos pueden examinar el grado en que el giro de un quark top está alineado en una dirección determinada (su polarización). Este parámetro es particularmente sensible a los nuevos efectos físicos. En un nuevo resultado presentado por la Colaboración ATLAS, Los físicos han medido, por primera vez, los vectores de polarización total tanto para los quarks superiores como para los antiquarks.

Tempestad en un canal t

Entre los diferentes mecanismos que contribuyen a la producción de un solo quark top, el "canal t" domina en el LHC. En el canal T, un quark top decae junto con otra partícula, conocido como "quark espectador". Este espectador es crucial para medir la polarización del quark top, ya que se espera que su dirección de movimiento coincida con la dirección de giro del quark top, al menos, la mayor parte del tiempo. Este no es siempre el caso; más lejos, la dirección de giro debe diferir entre los top quarks y antiquarks.

Para comprender completamente este comportamiento, Los físicos de ATLAS se propusieron medir los vectores de polarización de quark top y antiquark completos. Primero, tenían que distinguir entre los quarks superiores producidos en el canal t y otros procesos que dejan la misma firma en el detector. Los investigadores buscaron en sus eventos de colisión los rasgos característicos del canal t; a saber, eventos con dos chorros en el estado final (el quark espectador y el quark inferior del decaimiento del quark superior) o un quark espectador con gran pseudorapidez. Su selección resultante es bastante pura en quarks top de canal t producidos individualmente.

Después de su producción, el quark top decae casi exclusivamente en un bosón W y un quark bottom. El bosón W se descompondrá aún más en un par de quarks (canal hadrónico) o un leptón y un neutrino (canal leptónico). El canal leptónico es particularmente interesante para los físicos, ya que las distribuciones angulares del leptón están íntimamente relacionadas con el giro del quark top. Los nuevos resultados de ATLAS Collaboration aprovechan esta función para proporcionar, por primera vez, los vectores de polarización completa para los quarks top y antiquarks (consulte la Figura 1). Existe un gran grado de polarización a lo largo de la dirección del chorro del quark espectador para los quarks superiores, y contra esa dirección para los mejores antiquarks.

Es más, Los físicos de ATLAS midieron la sección transversal diferencial del quark top en función de estas distribuciones angulares. Sus mediciones se proporcionan de tal manera que se pueden comparar directamente con las predicciones teóricas actuales y futuras. La Figura 2 muestra una de las tres medidas diferenciales de la sección transversal de la producción del canal t en función de las distribuciones angulares del leptón cargado. Los resultados están de acuerdo con las predicciones del modelo estándar.

¡Operador! Consígueme nueva física en juego

El nuevo análisis de ATLAS también hace avances importantes en la búsqueda de fenómenos más allá del Modelo Estándar. En particular, las nuevas partículas que no se pueden producir directamente en el LHC todavía tendrían un efecto considerable en las distribuciones medidas en este análisis. El estudio de estos proporciona a los investigadores una forma independiente del modelo de describir posibles desviaciones de las predicciones teóricas en términos de operadores, que son cero en el modelo estándar.

Concretamente, Los investigadores de ATLAS observaron el "operador de dipolo OtW". Este operador tiene una parte tanto real como imaginaria; siendo este último de especial interés, ya que no es accesible en la producción de pares superiores y los valores distintos de cero implicarían un componente de infracción de CP en el sector de quarks superiores. El nuevo resultado de ATLAS establece restricciones sobre la parte real e imaginaria de este coeficiente. Con un nivel de confianza del 95%, la parte real está restringida dentro de [-0,7, 1,5] y la parte imaginaria dentro de [-0,7, 0,2], ambos compatibles con cero. Por la parte imaginaria, los límites proporcionados son los más estrictos hasta ahora de los experimentos de alta energía.