Figura 1:Sezione d'urto della coppia di quark superiore misurata da ATLAS a 13, 8 e 7 TeV utilizzando eventi eµ, rispetto alla previsione teorica (banda ciano) in funzione dell'energia di collisione. Il grafico inferiore mostra il rapporto tra misurazioni e previsioni utilizzando varie funzioni di distribuzione dei partoni. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Essendo la particella elementare più pesante conosciuta, il quark top ha un posto speciale nella fisica studiata al Large Hadron Collider (LHC) al CERN. Le migliori coppie quark-antiquark vengono prodotte copiosamente nelle collisioni registrate dal rivelatore ATLAS, fornendo un ricco banco di prova per modelli teorici di collisioni di particelle alle più alte energie accessibili. Eventuali deviazioni tra misurazioni e previsioni potrebbero indicare carenze nella teoria o primi indizi di qualcosa di completamente nuovo.
La collaborazione ATLAS ha rilasciato una nuova misurazione precisa del tasso complessivo - o "sezione d'urto" - della produzione di coppie di quark top all'LHC. La misurazione utilizza eventi in cui un quark top decade in un elettrone (e), un neutrino e un quark b, mentre l'altro decade in un muone (µ), un neutrino e un quark b. Questo crea una firma sorprendente nel rivelatore, consentendo ai fisici di raccogliere un campione molto pulito di eventi con pochissimo sfondo. Nonostante rappresenti solo il 2% dei decadimenti delle coppie di quark top, I fisici di ATLAS hanno esaminato oltre 230, 000 eventi eµ raccolti nel 2015-2016 durante la seconda corsa dell'LHC a 13 TeV.
Il nuovo risultato fornisce una misura della sezione d'urto della coppia di quark top di 826 ± 20 picobarn, vale a dire un'incertezza di solo il 2,4 per cento. Questo concorda perfettamente con le previsioni teoriche all'avanguardia, e si unisce a precedenti misurazioni ATLAS precise che utilizzavano dati a 7 e 8 TeV (Figura 1). Questa eccellente precisione è grazie, in gran parte, alla superba ricostruzione del rivelatore dei leptoni risultanti (elettroni e muoni).
Figura 2:Sezione d'urto differenziale della coppia di quark top in funzione della massa invariante della coppia di quark top e del momento trasversale del quark top, come misurato da ATLAS a 13 TeV utilizzando eventi nel canale del singolo leptone, vengono confrontati con la previsione teorica dai calcoli dell'ordine successivo al successivo (NNLO). Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
La nuova misurazione precisa di ATLAS della sezione d'urto della coppia di quark top è stata utilizzata anche per definire diversi parametri, inclusa la massa del quark top in m T =173,1 ± 2,1 GeV – e di vincolare le "funzioni di distribuzione dei partoni" che caratterizzano la struttura interna del protone in termini dei suoi costituenti quark e gluoni.
Sono state misurate con precisione anche le energie e le distribuzioni angolari dei leptoni prodotti (cioè la loro "cinematica"). Questi sono stati confrontati con le previsioni di vari programmi di "generatore di eventi", utilizzato per modellare eventi di quark top all'LHC. I fisici di ATLAS hanno notato diverse discrepanze, indicando la necessità di calcoli teorici più precisi per descrivere meglio le distribuzioni del momento leptone osservate.
Facendo un passo avanti, un altro nuovo risultato di ATLAS ha approfondito la cinematica degli stessi quark top. Per la prima volta in ATLAS, il tasso di produzione di coppie di quark top è stato misurato in funzione di due variabili cinematiche contemporaneamente (distribuzioni 2D, vedere la figura 2).
Figura 3:Sezione d'urto differenziale della coppia di quark top in funzione del momento trasversale del quark top, utilizzando 13 eventi TeV nel canale del singolo leptone. Questo viene confrontato con le previsioni teoriche del generatore di eventi Powheg+Pythia8 e i calcoli NNLO di ordine fisso. Il grafico inferiore mostra il rapporto tra le previsioni e la misurazione. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Per realizzare questo, i fisici hanno selezionato eventi di coppie di quark top in cui un quark top decade in un leptone, un neutrino e un quark b, mentre l'altro decade in una coppia b-quark e quark-antiquark. Studi di questo stato finale, denominato canale "single-lepton", ha permesso ai team ATLAS di ricostruire più precisamente la cinematica della coppia top-quark, anche nei casi in cui vengono prodotti quark top "potenziati" con momento trasversale estremamente elevato rispetto all'asse di collisione. Questi sono di fondamentale interesse per le nuove ricerche di fisica poiché particelle esotiche massicce potrebbero decadere in due quark top altamente potenziati.
I fisici hanno confrontato le distribuzioni misurate con gli ultimi calcoli teorici, con migliori stime del tasso di produzione in regimi ad alto momento. I risultati mostrano che i calcoli teorici prevedono più quark top a momento molto elevato di quelli osservati (Figura 3). Ciò conferma e migliora le misurazioni precedenti pubblicate dagli esperimenti ATLAS e CMS. Inoltre, grazie alla forma della distribuzione 2D, il tasso di produzione della coppia di quark top in funzione della massa invariante e il momento trasversale del quark top possono essere utilizzati per misurazioni future per misurare la massa del quark top.
Presi insieme, questi due nuovi risultati forniscono una grande quantità di dati per migliorare la nostra comprensione della produzione di coppie di quark top, e per definire ulteriormente le proprietà di questa particella pesante.
