Figura 1:Resumo das medições de polarização de melhor ajuste observadas com seus contornos apenas estatísticos (verde) e estatísticos + sistemáticos (amarelo) com nível de confiança de 68%, plotado no espaço de parâmetro de polarização bidimensional Pz ', Px '. O interior do círculo preto representa a região fisicamente permitida do espaço de parâmetros. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Único entre seus pares é o quark top - uma partícula fascinante que a comunidade científica tem estudado detalhadamente desde os anos 90. Sua grande massa o torna o único quark a decair antes de formar estados vinculados (um processo conhecido como hadronização) e dá a ele o acoplamento mais forte ao bóson de Higgs. Os teóricos prevêem que também pode interagir fortemente com novas partículas - se o fizer, o Large Hadron Collider (LHC) é o lugar ideal para descobrir, pois é uma "fábrica de quark top".
Embora a maioria dos quarks top sejam produzidos em pares no LHC, as colisões produzirão ocasionalmente quarks top únicos. O LHC produziu mais de 42 milhões de quarks top únicos durante seu impressionante período de coleta de dados Run-2 (2015–2018). Ao contrário da produção de pares de quarks superiores, quarks top únicos são sempre produzidos por meio da interação eletrofraca com a mão esquerda. Isso impacta a direção de rotação do quark top produzido, e, por sua vez, a rotação de seus produtos de decomposição. Ao estudar quarks top produzidos individualmente, os físicos são capazes de examinar o grau em que o spin de um quark top está alinhado com uma determinada direção (sua polarização). Este parâmetro é particularmente sensível a novos efeitos físicos. Em um novo resultado apresentado pela Colaboração ATLAS, os físicos mediram - pela primeira vez - os vetores de polarização total para quarks top e antiquarks.
Tempestade em um canal t
Entre os diferentes mecanismos que contribuem para a produção de quark top único, o "canal t" domina no LHC. No canal t, um quark top decai junto com outra partícula, conhecido como "quark espectador". Este espectador é crucial para medir a polarização do quark top, uma vez que se espera que sua direção de movimento coincida com a direção de rotação do quark top - pelo menos, a maior parte do tempo. Isso não é sempre o caso; avançar, a direção do spin deve ser diferente entre os quarks top e antiquarks.
Figura 2:A medição da seção transversal diferencial normalizada como uma função do ângulo cos θy do leptão carregado. Os dados, mostrado como os pontos pretos com incertezas estatísticas, é comparado com várias previsões geradas por Monte Carlo do Modelo Padrão do sinal do canal t para os quarks top e antiquarks top. As faixas de incerteza incluem as incertezas estatísticas e sistemáticas. O painel inferior mostra a proporção de predição para dados em cada compartimento. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Para entender totalmente esse comportamento, Os físicos do ATLAS começaram a medir os vetores de polarização do quark top e do antiquark. Primeiro, eles tiveram que distinguir entre os quarks top produzidos no canal t e outros processos que deixam a mesma assinatura no detector. Os pesquisadores procuraram em seus eventos de colisão as características do canal t; nomeadamente, eventos com dois jatos no estado final (o quark espectador e o quark inferior da decadência do quark superior) ou um quark espectador com grande pseudo-rapidez. A seleção resultante é bastante pura em quarks top produzidos individualmente no canal t.
Após sua produção, o quark top decai quase exclusivamente em um bóson W e um quark bottom. O bóson W decairá ainda mais para um par de quarks (canal hadrônico) ou um leptão e um neutrino (canal leptônico). O canal leptônico é particularmente interessante para os físicos, já que as distribuições angulares do leptão estão intimamente relacionadas com o spin do quark top. Novos resultados da ATLAS Collaboration exploram esse recurso para fornecer - pela primeira vez - os vetores de polarização completos para quarks top e antiquarks (consulte a Figura 1). Há um grande grau de polarização ao longo da direção do jato do quark espectador para quarks top, e contra essa direção para os melhores antiquarks.
Além disso, Os físicos do ATLAS mediram a seção transversal diferencial do quark top em função dessas distribuições angulares. Suas medições são fornecidas de forma que possam ser comparadas diretamente com as previsões teóricas atuais e futuras. A Figura 2 mostra uma das três medidas de seção transversal diferencial da produção do canal t como uma função das distribuições angulares do leptão carregado. Os resultados estão de acordo com as previsões do Modelo Padrão.
Operador! Coloque-me uma nova física em jogo
A nova análise do ATLAS também faz incursões importantes na busca de fenômenos além do Modelo Padrão. Em particular, novas partículas que não podem ser produzidas diretamente no LHC ainda teriam um efeito considerável nas distribuições medidas nesta análise. Estudar isso dá aos pesquisadores uma maneira independente de modelo para descrever possíveis desvios das previsões teóricas em termos de operadores, que são zero no modelo padrão.
Concretamente, Os pesquisadores do ATLAS analisaram o "operador de dipolo OtW". Este operador tem uma parte real e uma parte imaginária; sendo o último de particular interesse, uma vez que não é acessível na produção de top pair e valores diferentes de zero implicariam em um componente de violação de CP no setor de quark top. O novo resultado do ATLAS define restrições na parte real e imaginária desse coeficiente. Com um nível de confiança de 95%, a parte real é restringida dentro de [-0,7, 1,5] e a parte imaginária dentro de [-0,7, 0,2], ambos compatíveis com zero. Para a parte imaginária, os limites fornecidos são os mais rigorosos até agora para experimentos de alta energia.
