Sciencemag.cz
Doporučujeme
Čtyři top kvarky vznikající ve srážce dvou protonů na urychlovači LHC se téměř okamžitě rozpadají na kvark bottom a intermediální boson W.
Na květnové konferenci LHCP 2020, která se letos konala pouze online, byly prezentovány výsledky přinášející přesvědčivé důkazy o existenci produkce čtyř top kvarků. Tento vzácný proces nastává v jednom ze 70 tisíc případů produkce top kvarků na urychlovači LHC, a je tak velice těžké ho změřit.
Top kvark je nejtěžší částicí ve Standardním modelu. Doba života top kvarku je 10 na −25 s a jeho klidová hmotnost 175 GeV odpovídá zhruba hmotnosti jednoho atomu wolframu. V naprosté většině se top kvark rozpadá na kvark bottom a intermediální boson W, díky kterému byl také detekován a objeven v americkém Fermilabu. Objev byl oznámen v roce 1995, ale první detekce top kvarku byly zaznamenány již o rok dříve.
Čtyři top kvarky vznikající ve srážce dvou protonů na urychlovači LHC se téměř okamžitě rozpadají na kvark bottom a intermediální boson W. V detektoru ATLAS pak zanechávají své stopy čtyři W intermediální bosony a čtyři jety, které pocházejí z hadronizace kvarků bottom. Bosony W se dále během průletu detektorem rozpadají na dva jety nebo jeden nabitý lepton (elektron, mion nebo tau lepton) a nedetekovatelné neutrino. Finální rozpadem procesu je pak rozpad tau leptonu na lehčí leptony nebo jet a neutrina.
Při produkci čtyř top kvarků v jedné srážce na LHC se celková energie pozorovaného stavu blíží 700 GeV. Ustaví se tak ideální prostředí pro hledání „nové fyziky“, dosud neznámých částic, které by se na procesu mohly podílet. Pokud by pozorovaná četnost produkce čtyř top kvarků byla vyšší, než předpokládá Standardní model, proces by indikoval přítomnost fyziky za Standardním modelem.
Výsledky prezentované na konferenci LHCP 2020 vzešly z analýzy dat z detektoru ATLAS, které byly nasbírány při druhém běhu urychlovače LHC během let 2015–2018. V rámci analýzy se fyzici rozhodli soustředit na srážky protonů, při kterých byly kromě jetů detekovány dva leptony se stejným nábojem nebo tři leptony. I když tyto finální produkty najdeme jen ve 12 % všech predikovaných produkcí čtyř top kvarků, jejich výhodou je snadné odlišení od tzv. pozadí detektoru, tedy náhodných signálů, které ve zkoumaném procesu nijak neparticipují.
K analýze dat bylo využito multivariační diskriminační metody boosted decision tree. Algoritmus, který využívá machine learning, byl „trénován“ k odlišení skutečných signálů od parazitních díky znalosti vlastností zkoumaných procesů – počtu jetů, jejich původů, energií a úhlového rozdělení měřených částic. Součástí pozadí, které lze zaměnit se signálem produkce čtyř top kvarků, jsou procesy obsahující intermediální W a Z bosony, Higgsův boson nebo top kvark pocházející z jiného procesu.
Každý z procesů pozadí byl vyhodnocen pomocí simulací, které vycházely z predikcí teoretických částicových fyziků. Nejvýznamnějšími procesy pozadí jsou produkce dvou top kvarků spolu s W bosonem a pozadí s tzv. falešnými leptony. Falešné leptony vznikají, když je náboj leptonů špatně identifikován nebo leptony vznikly v jiném procesu, než ke kterému byly analýzou přiřazeny. Aby se snížila systematická nejistota výsledků měření, musely být oba dva dominantní procesy pozadí dobře pochopeny a přesně zhodnoceny.
Kolaborace ATLAS změřila účinný průřez produkce čtyř top kvarků 24 (+7 -6) fb, což je výsledek shodující se s predikcí Standardního modelu. Měření přineslo přesvědčivé důkazy o existenci produkce čtyř top kvarků. Urychlovač LHC bude opět spuštěn v roce 2021. Nová experimentální data, ale také vylepšené metody analýzy přinesou zpřesnění výsledku náročného měření.
autor: Iveta Zatočilová
Převzato z Matfyz.cz.
