Figura 1:Riepilogo delle misurazioni di polarizzazione best-fit osservate con i loro contorni solo statistici (verde) e statistico+sistematico (giallo) al livello di confidenza del 68%, tracciato sullo spazio dei parametri di polarizzazione bidimensionale Pz', Px'. L'interno del cerchio nero rappresenta la regione fisicamente consentita dello spazio dei parametri. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Unico tra i suoi pari è il quark top, un'affascinante particella che la comunità scientifica ha studiato in dettaglio dagli anni '90. La sua grande massa lo rende l'unico quark a decadere prima di formare stati legati (un processo noto come adronizzazione) e gli conferisce l'accoppiamento più forte con il bosone di Higgs. I teorici prevedono che potrebbe anche interagire fortemente con nuove particelle:se lo fa, il Large Hadron Collider (LHC) è il luogo ideale per scoprirlo in quanto si tratta di una "fabbrica di quark top".
Mentre la maggior parte dei quark top sono prodotti in coppia all'LHC, le collisioni produrranno occasionalmente singoli quark top. LHC ha sfornato oltre 42 milioni di quark top singoli durante il suo impressionante periodo di raccolta dati Run-2 (2015-2018). A differenza della produzione di coppie di quark top, i singoli quark top sono sempre prodotti tramite l'interazione elettrodebole sinistrorsa. Ciò influisce sulla direzione di spin del quark top prodotto, e a sua volta, lo spin dei suoi prodotti di decadimento. Studiando i quark top prodotti singolarmente, i fisici sono in grado di esaminare il grado con cui lo spin di un quark top è allineato a una data direzione (la sua polarizzazione). Questo parametro è particolarmente sensibile ai nuovi effetti fisici. In un nuovo risultato presentato dalla Collaborazione ATLAS, i fisici hanno misurato, per la prima volta, i vettori di polarizzazione completa sia per i quark top che per gli antiquark.
Tempesta in un canale a T
Tra i diversi meccanismi che contribuiscono alla produzione di quark single top, il "t-channel" domina all'LHC. Nel canale T, un quark top decade insieme a un'altra particella, noto come "quark spettatore". Questo spettatore è cruciale per misurare la polarizzazione del quark top, poiché la sua direzione di moto dovrebbe coincidere con la direzione di spin del quark top, almeno, La maggior parte delle volte. Questo non è sempre il caso; ulteriore, la direzione di spin dovrebbe differire tra quark top e antiquark.
Figura 2:La misura della sezione d'urto differenziale normalizzata in funzione dell'angolo cos y del leptone carico. I dati, mostrato come i punti neri con incertezze statistiche, viene confrontato con varie previsioni generate dal modello standard Monte Carlo del segnale del canale t sia per i quark top che per gli antiquark top. Le bande di incertezza includono sia le incertezze statistiche che quelle sistematiche. Il pannello inferiore mostra il rapporto tra previsione e dati in ogni bin. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Per comprendere appieno questo comportamento, I fisici di ATLAS si sono proposti di misurare i vettori di polarizzazione del quark top completo e dell'antiquark. Primo, hanno dovuto distinguere tra i quark top prodotti nel canale t e altri processi che lasciano la stessa firma nel rivelatore. I ricercatori hanno cercato i loro eventi di collisione per le caratteristiche del canale t; vale a dire, eventi con due jet nello stato finale (il quark spettatore e il quark bottom dal decadimento del quark top) o un quark spettatore con grande pseudorapidità. La loro selezione risultante è abbastanza pura nei quark top prodotti singolarmente con canale t.
Dopo la sua produzione, il quark top decade quasi esclusivamente in un bosone W e un quark bottom. Il bosone W decadrà ulteriormente in una coppia di quark (canale adronico) o un leptone e un neutrino (canale leptonico). Il canale leptonico è particolarmente interessante per i fisici, poiché le distribuzioni angolari del leptone sono intimamente correlate con lo spin del quark top. I nuovi risultati della collaborazione ATLAS sfruttano questa funzionalità per fornire, per la prima volta, i vettori di polarizzazione completi sia per i quark top che per gli antiquark (vedi Figura 1). C'è un enorme grado di polarizzazione lungo la direzione del getto del quark spettatore per i quark top, e contro quella direzione per i migliori antiquark.
Per di più, I fisici di ATLAS hanno misurato la sezione d'urto differenziale del quark top in funzione di queste distribuzioni angolari. Le loro misurazioni sono fornite in modo tale da poter essere direttamente confrontate con le previsioni teoriche attuali e future. La figura 2 mostra una delle tre misure differenziali della sezione d'urto della produzione del canale t in funzione delle distribuzioni angolari del leptone carico. I risultati sono in accordo con le previsioni del Modello Standard.
Operatore! Datemi nuova fisica in gioco
La nuova analisi di ATLAS fa anche importanti passi avanti nella ricerca di fenomeni oltre il Modello Standard. In particolare, nuove particelle che non possono essere prodotte direttamente all'LHC avrebbero comunque un effetto considerevole sulle distribuzioni misurate in questa analisi. Lo studio di questi offre ai ricercatori un modo indipendente dal modello per descrivere possibili deviazioni dalle previsioni teoriche in termini di operatori, che sono zero nel Modello Standard.
Concretamente, I ricercatori di ATLAS hanno esaminato "l'operatore dipolo OtW". Questo operatore ha una parte reale e una immaginaria; quest'ultimo è di particolare interesse, poiché non è accessibile nella produzione di coppie top e valori diversi da zero implicherebbero una componente di violazione di CP nel settore dei quark top. Il nuovo risultato ATLAS pone dei vincoli sulla parte reale e immaginaria di questo coefficiente. Al livello di confidenza del 95%, la parte reale è vincolata entro [-0.7, 1.5] e la parte immaginaria entro [-0.7, 0,2], entrambi compatibili con zero. Per la parte immaginaria, i limiti forniti sono i più severi finora per gli esperimenti ad alta energia.
