Un quarto di secolo dopo la sua scoperta, i fisici dell'esperimento ATLAS al CERN stanno acquisendo nuove informazioni sulla particella più pesante conosciuta, il quark superiore. L'enorme quantità di dati raccolti durante la fase 2 dell'LHC (2015-2018) ha permesso ai fisici di studiare in modo molto dettagliato i processi di produzione rari del quark top, compresa la sua produzione in associazione con altre particelle elementari pesanti.

In un nuovo documento, la collaborazione ATLAS riporta l'osservazione di un singolo quark top prodotto in associazione con un bosone Z (tZq) utilizzando l'intero set di dati Run-2, confermando così i risultati precedenti di ATLAS e CMS utilizzando set di dati più piccoli. Per ottenere questo nuovo risultato, i fisici hanno studiato oltre 20 miliardi di eventi di collisione registrati dal rivelatore ATLAS, cercando eventi con tre leptoni isolati (elettroni o muoni), uno squilibrio del momento nel piano perpendicolare (trasversale) al fascio di protoni, e due o tre getti di adroni originati dalla frammentazione dei quark (con un getto originato da un quark b). Sono stati identificati solo circa 600 eventi candidati con tale firma (cioè la regione del segnale) e, nonostante severi criteri di selezione, solo circa 120 di questi dovrebbero provenire dal processo produttivo tZq.

Per separare al meglio il loro segnale dai processi in background, I fisici di ATLAS hanno addestrato una rete neurale artificiale per identificare gli eventi tZq utilizzando dati simulati con precisione. La rete neurale ha fornito ad ogni evento un punteggio (O _NN ) che rappresentava quanto assomigliava al processo del segnale. Per verificare che la simulazione alimentata alla rete neurale fornisse una buona descrizione dei dati reali, i fisici hanno esaminato eventi con firme simili (regioni di controllo) che sono dominate da processi di fondo. Sono state inoltre controllate varie distribuzioni cinematiche dei 600 eventi segnale-regione selezionati.

I ricercatori hanno valutato il punteggio della rete neurale sia nel segnale (Figura 1) che nelle regioni di controllo in modo che i livelli di sfondo potessero essere vincolati utilizzando dati reali. Il segnale tZq è stato estratto ed è stata calcolata la frequenza di tali eventi prodotti nel campione di dati dato (cioè la sezione trasversale). L'incertezza sulla sezione estratta è del 14%. Questo è più preciso di un fattore due rispetto al precedente risultato ATLAS, che si basava su quasi quattro volte meno dati (dal 2015 e 2016). La sezione trasversale è risultata in accordo con la previsione del Modello Standard, confermando che anche le particelle più pesanti nel Modello Standard si comportano ancora come particelle elementari puntiformi.

Ulteriore, selezionando per gli eventi identificati dalla rete neurale come molto probabilmente eventi tZq (O _NN > 0,4), I fisici di ATLAS potrebbero esaminare se le distribuzioni cinematiche sono ben descritte dai calcoli del modello standard. La figura 2 mostra che è proprio così.

Con l'osservazione del processo produttivo tZq ora confermata, I ricercatori di ATLAS possono anticipare il suo studio in modo ancora più dettagliato. Le misurazioni della sezione d'urto in funzione delle variabili cinematiche consentiranno ai fisici di sondare attentamente le interazioni del quark top con altre particelle. Più dati sveleranno alcune caratteristiche inaspettate? Attendo con ansia di vedere cosa nasconde la natura nel mondo superiore.