I fisici dell'esperimento ATLAS al CERN hanno presentato nuovi entusiasmanti risultati al 10th International Workshop on Top Quark Physics (TOP2017), tenutosi a Braga (Portogallo). La conferenza ha riunito fisici sperimentali e teorici specializzati nella particella elementare più pesante conosciuta:il quark top.

ATLAS ha pubblicato sei nuovi risultati per TOP2017, coprendo tutte le aree della fisica dei quark top, comprese misurazioni di precisione in una coppia di quark top e singoli eventi di quark top, ricerca nuovi accoppiamenti del quark top, e misure delle proprietà del quark top, in particolare la sua massa.

Singolo o doppio?

I quark top nelle collisioni protone-protone di LHC sono prodotti prevalentemente in coppie, con un quark top e un antiquark top. ATLAS ha presentato le prime misurazioni della sezione d'urto della coppia di quark top in funzione di diverse variabili che descrivono le proprietà cinematiche dell'interazione e dei singoli quark top (misure "differenziali"). Queste misurazioni hanno utilizzato eventi che contengono solo getti, e senza leptoni o neutrini carichi. Normalmente, tali eventi sarebbero sopraffatti da altri, processi più mondani e molto più abbondanti, come interazioni forti che comportano la produzione di gluoni o quark più leggeri. Però, concentrandosi sui getti energetici all'interno dei quali risiedono i prodotti di decadimento del quark top, il nuovo risultato ATLAS raggiunge la migliore precisione finora per questo stato finale.

Anche i singoli quark top prodotti attraverso l'interazione debole sono difficili da identificare, specialmente quando il quark top è prodotto in associazione con un bosone W (tW), che soffre di un background molto ampio dovuto alla produzione di coppie di quark top. Nonostante queste sfide sperimentali, la collaborazione ATLAS ha rilasciato la prima misurazione della sezione trasversale differenziale della produzione di tW, utilizzando l'intero set di dati raccolto nel 2015 e nel 2016. La misurazione è in generale accordo con diverse previsioni, tuttavia mostra che i dati tendono ad avere un numero leggermente maggiore di eventi con oggetti allo stato finale ad alto momento.

Il più pesante di tutti

Sebbene il quark top sia stato scoperto più di 30 anni fa, molte delle sue proprietà sono state misurate solo di recente con alta precisione. La chiave di ogni studio è la massa del quark superiore, che fornisce informazioni cruciali utilizzate per valutare la coerenza interna del Modello Standard e ha anche implicazioni per il destino dell'universo.

Gli esperimenti affrontano molte sfide quando si misura la massa del quark top con alta precisione. L'identificazione dei suoi molteplici prodotti di decadimento richiede misurazioni di precisione in tutte le parti del rivelatore ATLAS; è anche essenziale una squisita modellazione dell'evento di collisione più produttivo e della sua successiva evoluzione.

Una nuova misurazione ATLAS della massa del quark top ha studiato circa 36, 000 eventi di coppie di quark top registrati nel 2012 e hanno misurato la massa di quark top con una precisione di ±0,91 GeV. Quando questa misurazione è combinata con altre misurazioni della massa dei quark top ATLAS, la precisione raggiunge ±0,5 GeV, o 0,3%, che rivaleggia con i migliori risultati combinati di altri esperimenti.

Spostando la parte superiore in avanti

Il quark top è anche un laboratorio unico per studiare l'aspetto del colore delle interazioni forti. "Colore" designa la carica dell'interazione forte. ATLAS ha presentato misurazioni sensibili a questa struttura di colore osservando il grado in cui due getti sono orientati l'uno verso l'altro. Un altro osservabile, anche la cosiddetta asimmetria di carica del quark top (quanto il quark top è allineato con la direzione del fascio rispetto all'antiquark top) è molto utile per testare le caratteristiche sottili dell'interazione forte e potrebbe rivelare la presenza di fisica oltre il Modello Standard.

ATLAS ha combinato le sue misurazioni dell'asimmetria della carica superiore con quelle della collaborazione CMS per ridurre le incertezze e ottenere un risultato più preciso di qualsiasi misurazione precedente. Questa è la prima pubblicazione congiunta ATLAS-CMS relativa alla fisica dei quark top ed è emblematica della natura cooperativa della fisica delle alte energie sottolineata anche al TOP2017.

Mai – quasi?

Il quark top è anche uno strumento unico per cercare direttamente nuove estensioni fisiche del Modello Standard. Il decadimento del quark top in un bosone Z e in un quark leggero attraverso una cosiddetta corrente neutra che cambia sapore (FCNC), che è vietato nel Modello Standard, è previsto da teorie come la supersimmetria o le dimensioni extra. Utilizzando il dataset 13 TeV raccolto nel 2015 e nel 2016, non sono state trovate interazioni FCNC, e ATLAS ha fissato i limiti più rigorosi fino ad oggi su questo processo.

Tutti questi nuovi entusiasmanti risultati aprono la strada a ulteriori studi dettagliati del quark top con i set di dati più grandi attesi dall'LHC nel Run 2 e oltre. La collaborazione ATLAS attende con impazienza continue discussioni fruttuose tra teorici e sperimentali sulle sue misurazioni.