La collaborazione ATLAS al CERN ha annunciato una forte evidenza della produzione di quattro quark top. Questo raro processo del modello standard dovrebbe verificarsi solo una volta ogni 70 mila coppie di quark top creati al Large Hadron Collider (LHC) e si è dimostrato estremamente difficile da misurare.

Il quark top è la particella elementare più massiccia nel Modello Standard, timbrando a 173 GeV, che è equivalente alla massa di un atomo d'oro. Ma contrariamente all'oro, la cui massa è principalmente dovuta alla forza di legame nucleare, il quark top ottiene tutta la sua massa dall'interazione con il campo di Higgs. Quindi, quando vengono prodotti quattro quark top in un singolo evento, creano lo stato finale di particelle più pesanti mai visto a LHC, con quasi 700 GeV in totale. Questo è un ambiente ideale per cercare nuova fisica con particelle ancora sconosciute che contribuiscono al processo. Se esistono, i fisici vedranno una produzione aggiuntiva di quattro quark top al di sopra di quanto previsto dal Modello Standard, motivando ulteriormente uno studio dettagliato del processo.

Nella loro nuova ricerca per la produzione di quattro quark top, I fisici di ATLAS hanno studiato l'intero set di dati Run 2 registrato tra il 2015 e il 2018. Quando prodotto attraverso collisioni protone-protone all'LHC, questo processo lascia tracce spettacolari nel rivelatore ATLAS. I quattro quark top producono quattro bosoni W e quattro jet (spruzzi di particelle collimati) originati dai quark bottom. I bosoni W quindi, a sua volta, ogni decadimento in due getti o un leptone carico (elettrone, muone o leptoni tau) e un invisibile neutrino. Come passo finale, i leptoni tau decadono in un leptone più leggero o in un getto, con ulteriori neutrini.

Per questo risultato, i fisici hanno scelto di concentrarsi sugli eventi di collisione che producono due leptoni con la stessa carica o tre leptoni. Nonostante rappresenti solo il 12% di tutti i decadimenti dei quattro quark top, queste firme sono più facili da distinguere dai processi in background nel rivelatore ATLAS. Il rilevamento di un segnale richiedeva tuttavia una comprensione dettagliata dei restanti processi in background e l'uso di sofisticate tecniche di separazione.

I fisici di ATLAS hanno addestrato un discriminante multivariato (albero decisionale potenziato) utilizzando le caratteristiche distinte del segnale, compreso l'elevato numero di getti, la loro origine dal sapore di quark (quark bottom o no), e le energie e le distribuzioni angolari delle particelle misurate. I principali processi di fondo che assomigliano al segnale derivano dalla produzione di una coppia di quark top in associazione con altre particelle, come un bosone W o Z, un bosone di Higgs, o un altro quark top. Alcuni di questi processi sono stati osservati solo di recente dalle collaborazioni ATLAS e CMS.

Ogni processo in background è stato valutato individualmente, principalmente attraverso simulazioni dedicate che includevano informazioni tratte dalle migliori previsioni teoriche disponibili. I processi in background più difficili, la produzione di coppie di quark top con un bosone W e sfondi con leptoni falsi, dovevano essere determinati utilizzando i dati provenienti da regioni di controllo dedicate. I leptoni falsi sorgono quando la carica di un leptone viene erroneamente identificata, o quando i leptoni provengono da un processo diverso, ma sono attribuiti al segnale. Entrambi dovevano essere ben compresi e valutati con precisione per ridurre l'incertezza sistematica sul risultato finale.

ATLAS ha misurato che la sezione d'urto per la produzione di quattro quark top fosse 24 ⁺⁷ _–6 fb, che è coerente con la previsione del modello standard (12 fb) a 1,7 deviazioni standard. La significatività del segnale è pari a 4,3 deviazioni standard, per una significatività attesa di 2,4 deviazioni standard erano il segnale di quattro quark top uguale alla previsione del modello standard. La misurazione fornisce una forte evidenza di questo processo.

Ulteriori dati dalla prossima corsa di LHC, insieme a ulteriori sviluppi delle tecniche di analisi impiegate, miglioreranno la precisione di questa impegnativa misurazione.