Vista 3D del magnete LHC. Credito:D. Dominguez &M. Brice/CERN
Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN è famoso per la collisione di protoni a energie da record mondiale, ma a volte vale la pena ridurre l'energia e vedere cosa succede in condizioni meno estreme. L'LHC è entrato in funzione nel 2010 con un'energia di collisione di 7 TeV, e ha funzionato a 13 TeV dal 2015 al 2018. Ma per una settimana nel 2017, l'LHC ha prodotto collisioni di intensità moderata a soli 5 TeV, consentendo agli scienziati di analizzare la produzione di varie particelle elementari a un'energia di collisione inferiore.
Una particella che erano particolarmente desiderosi di studiare era il quark top. Essendo la particella elementare più pesante conosciuta, la velocità (o sezione d'urto) per la produzione di coppie di quark top dipende fortemente dall'energia di collisione ottenuta. Misurando la velocità di produzione a diverse energie, gli scienziati possono saperne di più sulla distribuzione dei quark e dei gluoni che compongono il protone.
La collaborazione ATLAS al CERN ha rilasciato una nuova misurazione del tasso di produzione di coppie di quark top nel campione di dati da 5 TeV. Con una sola settimana di dati, la loro misura finale ha un'incertezza di appena il 7,5%. Questa incertezza è principalmente dovuta alle dimensioni molto ridotte del campione di dati di 5 TeV, con incertezze sistematiche relative alla calibrazione della luminosità di LHC e la risposta sperimentale essendo solo una piccola percentuale.
I quark top decadono rapidamente e lasciano una firma distinta nel rivelatore. Per individuare gli eventi di collisione della coppia superiore, I fisici di ATLAS hanno cercato eventi con due elettroni, due muoni, o una coppia elettrone-muone, uno o due getti di particelle 'b-tag' (provenienti da decadimenti di quark b), e un significativo squilibrio di momento che indica la presenza di un neutrino. Questa selezione sopprime pesantemente gli eventi di fondo dalla produzione di altri tipi di particelle, in particolare nel caso di eventi elettrone-muone. In eventi con due elettroni o due muoni, c'è ancora un ampio background di eventi con bosoni Z con cui confrontarsi. I fisici hanno ridotto questo sfondo usando le energie e gli angoli misurati degli elettroni e dei muoni, richiedendo che la loro combinazione sia incoerente con l'origine da un decadimento del bosone Z.
Sezione trasversale di produzione della coppia superiore in funzione dell'energia di collisione, che mostra le misurazioni ATLAS (cerchi neri e triangolo rosso) rispetto alla previsione teorica (banda ciano). I grafici inferiori mostrano il rapporto tra le misurazioni e la previsione utilizzando varie funzioni di distribuzione dei partoni, cioè parametrizzazioni della struttura interna del protone utilizzando diverse ipotesi e set di dati di input. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
La nuova misura è mostrata nel grafico presentato in questo articolo (il triangolo rosso). Sono incluse anche le misurazioni precedenti a energie più elevate dai soli eventi elettrone-muone. La sezione trasversale a 5 TeV è più di un fattore dieci più piccola di quella alla massima energia di 13 TeV. Tutte le misurazioni sono in ottimo accordo con le previsioni teoriche, che combinano la teoria della cromodinamica quantistica con la conoscenza della struttura interna del protone.
Tali confronti servono a convalidare la comprensione delle collisioni protone-protone, e fungere da trampolino di lancio per la prossima corsa di LHC a partire dal 2022, dove il CERN spera di aumentare ulteriormente l'energia di collisione di LHC verso 14 TeV.
