Valori misurati dell'asimmetria di carica (Ac) in funzione della massa invariante del sistema di coppie di quark top (mtt) nei dati. Le regioni tratteggiate in verde mostrano le nuove previsioni del modello standard all'avanguardia, mentre le regioni tratteggiate in rosso mostrano l'asimmetria implementata negli eventi simulati di "Monte Carlo". Le barre verticali corrispondono alle incertezze totali. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Tra le particelle più intriganti studiate dall'esperimento ATLAS c'è il quark top. Essendo la particella fondamentale più pesante conosciuta, svolge un ruolo unico nel Modello Standard della fisica delle particelle, e forse in fisica oltre il Modello Standard.
Durante la seconda prova del Large Hadron Collider (LHC) al CERN, fasci di protoni sono stati fatti scontrare con un'elevata luminosità a un'energia del centro di massa di 13 TeV. Ciò ha permesso ad ATLAS di rilevare e misurare un numero senza precedenti di eventi che coinvolgono coppie di quark top-antitop, fornendo ai fisici di ATLAS un'opportunità unica di ottenere informazioni sulle proprietà del quark top.
A causa della subdola interferenza tra le particelle coinvolte nella produzione, I quark top e antitop non sono prodotti allo stesso modo rispetto alla direzione del fascio di protoni nel rivelatore ATLAS. Anziché, i quark top sono prodotti preferenzialmente al centro delle collisioni di LHC, mentre i quark antitop sono prodotti preferenzialmente ad angoli maggiori. Questo è noto come "asimmetria di carica".
L'asimmetria di carica è simile a un fenomeno misurato al collisore Tevatron al Fermilab, nota come asimmetria "avanti-indietro". Al Tevatron, fasci collidenti erano fatti di protoni e antiprotoni, rispettivamente, che ha portato alla produzione di quark top e antitop ciascuno ad angoli non centrali, ma in direzioni opposte. Un'asimmetria avanti-indietro, compatibile con le previsioni del modello standard migliorate, è stato osservato.
Limiti di confidenza sulla combinazione lineare C−/Λ2 dei coefficienti di Wilson degli operatori EFT di dimensione sei. I limiti sono derivati da un confronto delle misurazioni dell'asimmetria di carica presentate in questo documento con le previsioni del modello standard all'avanguardia. Sono mostrati anche i limiti derivati dalle misurazioni dell'asimmetria avanti-indietro al Tevatron utilizzando collisioni a un'energia del centro di massa 1,96 TeV, alla Run 1 misure di asimmetria di carica di LHC nelle collisioni protone-protone ad un'energia del centro di massa di 8 TeV. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Si prevede che l'effetto dell'asimmetria di carica all'LHC sia estremamente piccolo ( <1% poiché la modalità di produzione dominante delle coppie di quark top attraverso la diffusione dei gluoni (i portatori della forza forte) che emergono dai protoni non mostra un'asimmetria di carica. Un'asimmetria residua può essere generata solo da processi di scattering più complessi che coinvolgono anche i quark. Però, nuovi processi fisici che interferiscono con le modalità di produzione note possono portare a valori molto più grandi (o anche più piccoli). Perciò, una misurazione di precisione dell'asimmetria di carica è un test rigoroso del Modello Standard. È tra i più sottili, difficile, e tuttavia importanti proprietà da misurare nello studio dei quark top.
Un nuovo risultato ATLAS, presentato questa settimana alla Conferenza della Società Europea di Fisica sulla Fisica delle Alte Energie (EPS-HEP) a Gand, Belgio, esamina l'intero set di dati Run 2 per misurare la produzione di antitop in un canale in cui un quark top decade in un leptone carico, un neutrino e un "jet" adronico (uno spruzzo di adroni); e l'altro decade a tre getti adronici. L'analisi include completamente gli eventi in cui i getti adronici sono fusi insieme (la cosiddetta "topologia potenziata").
ATLAS trova prove di asimmetria di carica negli eventi di coppia di quark top, con un significato di quattro deviazioni standard. L'asimmetria di carica misurata di 0,0060 ± 0,0015 (stat+syst.) è compatibile con l'ultima previsione del modello standard, e la misurazione afferma con sicurezza che l'asimmetria osservata è diversa da zero. È la prima misurazione fisica di alto livello di ATLAS a utilizzare l'intero set di dati di Run 2.
Il nuovo risultato ATLAS segna una pietra miliare molto importante dopo decenni di misurazioni. La Figura 1 mostra che il set di dati consente ad ATLAS di misurare l'asimmetria di carica in funzione della massa del sistema top-antitop. La Figura 2 mostra i limiti risultanti sugli accoppiamenti anomali della teoria del campo efficace (EFT) che parametrizzano gli effetti della nuova fisica che sarebbero oltre la portata di essere prodotti direttamente all'LHC.
Questo nuovo risultato è l'ennesima dimostrazione della capacità di ATLAS di studiare i sottili effetti del Modello Standard con grande precisione. L'accordo osservato con le previsioni del Modello Standard fornisce un ulteriore pezzo del puzzle nella nostra comprensione della fisica delle particelle alla frontiera dell'energia.
