Quando si tratta di quark, quelli della terza generazione (superiore e inferiore) sono sicuramente i più affascinanti e intriganti. Metaforicamente, classificheremmo la loro vita sociale come piuttosto isolata, poiché non si mescolano molto con i loro parenti di prima e seconda generazione. Però, come i veri aristocratici del mondo della fisica delle particelle, godono di interazioni privilegiate e intense con il campo di Higgs; è l'intensità di questa interazione che alla fine determina cose come la stabilità quantistica del nostro universo. La loro vita sociale può avere anche un lato oscuro, in quanto potrebbero essere coinvolti nelle interazioni con la materia oscura.

Questo status speciale dei quark di terza generazione li rende attori chiave nella ricerca di fenomeni non previsti dal Modello Standard. Un nuovo risultato rilasciato dalla collaborazione ATLAS al CERN si concentra su modelli di nuovi fenomeni che prevedono una maggiore resa di eventi di collisione con quark bottom e particelle invisibili. Una seconda nuova ricerca ATLAS considera la possibile presenza di leptoni tau aggiunti. Insieme, questi risultati pongono forti vincoli alla produzione di partner dei quark b e di eventuali particelle di materia oscura.

Alla ricerca del fondoschiena supersimmetrico…

Il partner supersimmetrico del quark bottom (il fondo scalare) è una delle nuove particelle più ricercate al Large Hadron Collider (LHC). Durante la prima corsa dell'LHC (2010-2013), i fisici sono stati in grado di impostare forti vincoli sulla massa del fondo scalare nelle sue modalità di decadimento più naturali. Questi vincoli sono solo diventati più forti man mano che gli scienziati hanno studiato i dati di Run 2 (2015-2018). I risultati più recenti della collaborazione ATLAS portano la ricerca un passo avanti:non solo i fisici hanno esaminato l'intera serie di collisioni di Run 2, hanno impiegato nuove tecniche per prendere di mira modalità di decadimento inferiore scalare meno comuni e gerarchie di massa più difficili.

Il primo nuovo risultato di ATLAS si concentra sui decadimenti scalari di fondo che non vengono spesso studiati, vale a dire, il suo decadimento in b-quark, Bosoni di Higgs e particelle candidate di materia oscura. A complemento di un precedente studio ATLAS (vedi figura), il nuovo risultato cerca una coppia di leptoni tau prodotti nel decadimento del bosone di Higgs. Identificare, o meglio, identificazione errata:questi leptoni tau sono stati uno degli aspetti più impegnativi di questo studio. Per superare questo, I fisici di ATLAS hanno sviluppato una tecnica di stima del background dedicata, sulla base della definizione di un insieme accuratamente progettato di campioni di controllo. Ciò ha fornito loro una stima precisa della difficile componente di fondo derivante da identificazioni errate dei leptoni tau.

In un secondo nuovo studio sui quark di fondo scalare, I ricercatori di ATLAS si sono concentrati sul decadimento di un fondo scalare prodotto da una coppia in un quark b e una particella di materia oscura candidata, con conseguente due b-jet e momento trasversale mancante nello stato finale. Hanno prestato particolare attenzione agli "scenari compressi, " questo è, dove la massa del fondo scalare e quella del candidato della materia oscura sono simili. In quei casi, i b-quark emessi nel decadimento di fondo scalare hanno un momento molto basso, rendendoli difficili da identificare.

Per la prima volta in ATLAS, i fisici hanno implementato tecniche di apprendimento automatico e algoritmi di ricostruzione dedicati volti a ricostruire il decadimento dell'adrone inferiore spostato indipendentemente dalla presenza di un getto. Insieme alla maggiore luminosità integrata dell'LHC, queste tecniche hanno contribuito a spingere la sensibilità dell'esperimento ATLAS a livelli senza precedenti.

… e i suoi amici

Una delle cose che rende questi stati finali così interessanti è che sono comuni anche ad altri nuovi fenomeni, come i leptoquark. Queste sono particelle ipotetiche il cui decadimento violerebbe la conservazione del numero di leptoni e barioni, che potrebbe spiegare lo squilibrio osservato materia-antimateria del nostro universo. Una specifica famiglia di leptoquark può decadere almeno parzialmente in un quark b e in un neutrino, cedendo ancora una volta uno stato finale con due b-jet e momento trasversale mancante. Modelli più generici di materia oscura, dove i b-jet sono prodotti in associazione con le particelle di materia oscura candidate, produrrebbe anche lo stesso stato finale. Il nuovo risultato di ATLAS pone limiti competitivi anche a questi scenari, un contributo significativo alla ricerca della materia oscura o dei leptoquark.

In conclusione

L'indagine sul settore dei quark di terza generazione – sia in termini di misurazioni di precisione sia in termini di ricerche di nuovi fenomeni ad esso associati – è da ascrivere alla lunga lista di trionfi dell'LHC. Questa conoscenza finora indica che la terza generazione si comporta come previsto dal Modello Standard. Solo ulteriori esami e indagini riveleranno nuove risposte alle grandi domande sollevate dalla terza generazione.