Distribuzioni di mlb che rappresentano diversi valori dell'ampiezza di decadimento del quark top (Γt). Il pannello inferiore mostra il rapporto tra larghezze alternative rispetto alla previsione del modello standard. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Essendo la particella più pesante conosciuta, il quark top gioca un ruolo chiave negli studi delle interazioni fondamentali. A causa della sua breve durata, il quark top decade prima di trasformarsi in adrone. Così, le sue proprietà sono conservate e trasferite ai suoi prodotti di decadimento, che a sua volta può essere misurato in esperimenti di fisica delle alte energie. Tali studi forniscono un eccellente banco di prova per il Modello Standard e possono fornire indizi per una nuova fisica.
Un parametro chiave esaminato dalla collaborazione ATLAS al CERN è la "larghezza di decadimento" del quark top, che è legato alla vita della particella e ai modi di decadimento. I decadimenti risultanti dalla nuova fisica potrebbero alterare l'ampiezza del decadimento, rendendo la sua misurazione precisa particolarmente importante. Nel modello standard, i calcoli teorici prevedono un valore per l'ampiezza di decadimento di 1,32 GeV per una massa di quark top di 172,5 GeV.
La collaborazione ATLAS ha presentato una nuova misurazione dell'ampiezza del decadimento del quark top al Lepton Photon Symposium di Toronto, Canada. L'analisi utilizza l'intero set di dati di Run 2, il Large Hadron Collider (LHC), con una luminosità integrata corrispondente di 139 fb −1 – per fornire ancora la migliore precisione di ATLAS.
La nuova analisi adotta un approccio diretto alla misurazione dell'ampiezza del decadimento dei quark top. I fisici di ATLAS hanno selezionato eventi di collisione in cui le coppie di quark top decadono in due leptoni carichi (elettroni o muoni) di carica elettrica opposta. Questo canale di decadimento ha una maggiore purezza degli eventi di segnale e minori incertezze sistematiche rispetto ai canali alternativi. ATLAS ha misurato la massa invariante dei leptoni e i risultanti "b-jets" dai decadimenti dei quark top osservati nel rivelatore, per determinare l'ampiezza del decadimento del quark top.
La curva blu rappresenta i valori della funzione di verosimiglianza utilizzata nell'adattamento ai dati, calcolato per più valori della larghezza del quark top (Γt). Il minimo rappresenta il valore più probabile di t. Le linee tratteggiate rosse rappresentano i limiti di 1, 2 e 3 deviazioni standard. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
La massa invariante del leptone e un getto b (m libbre ) è sensibile all'ampiezza del decadimento del quark top, ma solo quando entrambi originano dal decadimento dello stesso quark top. I fisici hanno usato un criterio semplice, guardando la minima distanza angolare tra il leptone carico e il getto, per accoppiarli tra loro e ricostruire le loro masse invarianti.
La nuova misurazione dell'ampiezza del decadimento dei quark top è dominata da incertezze sistematiche derivanti principalmente dalla misurazione delle energie dei getti. Per far fronte a queste incertezze, I fisici di ATLAS hanno impiegato un nuovo approccio all'adattamento che combinava modelli, che rappresentano diversi valori della larghezza di decadimento, e una tecnica di verosimiglianza del profilo, dove le fonti di incertezze sistematiche entrano direttamente nell'adattamento. I fisici hanno testato la procedura di adattamento per garantire la stabilità e la robustezza dell'adattamento agli effetti statistici. Infatti, sono stati condotti test con un modello sistematico completo per verificare che la procedura potesse riprodurre l'ampiezza di decadimento prevista dal Modello Standard, nonché eventuali deviazioni. Questa tecnica di nuova concezione, combinando modelli e profili di verosimiglianza, possono trovare impiego in altre misurazioni al di fuori della fisica dei quark top.
Il nuovo risultato ATLAS fornisce un valore dell'ampiezza del decadimento del quark top di 1,9 ± 0,5 GeV, in accordo con il Modello Standard. Ciò segna un significativo miglioramento della precisione rispetto alle misurazioni precedenti che analizzavano i dati di 8 TeV LHC.
