Valores medidos da assimetria de carga (Ac) em função da massa invariante do sistema de pares de quarks top (mtt) nos dados. As regiões tracejadas em verde mostram novas previsões de modelo padrão de última geração, enquanto as regiões hachuradas em vermelho mostram a assimetria implementada em eventos simulados de "Monte Carlo". As barras verticais correspondem às incertezas totais. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Entre as partículas mais intrigantes estudadas pelo Experimento ATLAS está o quark top. Como a partícula fundamental mais pesada conhecida, ele desempenha um papel único no modelo padrão da física de partículas, e talvez na física além do modelo padrão.
Durante a execução 2 do Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN, feixes de prótons colidiram com alta luminosidade em uma energia de centro de massa de 13 TeV. Isso permitiu ao ATLAS detectar e medir um número sem precedentes de eventos envolvendo pares de quarks top-antitop, proporcionando aos físicos do ATLAS uma oportunidade única de obter informações sobre as propriedades do quark top.
Devido à interferência furtiva entre as partículas envolvidas na produção, os quarks top e antitop não são produzidos igualmente em relação à direção do feixe de prótons no detector ATLAS. Em vez de, quarks top são produzidos preferencialmente no centro das colisões do LHC, enquanto quarks antitop são produzidos preferencialmente em ângulos maiores. Isso é conhecido como "assimetria de carga".
A assimetria de carga é semelhante a um fenômeno medido no colisor Tevatron no Fermilab, conhecido como assimetria "para a frente e para trás". Na Tevatron, feixes de colisão eram feitos de prótons e anti-prótons, respectivamente, que levou a quarks top e antitop, cada um sendo produzido em ângulos não centrais, mas em direções opostas. Uma assimetria para a frente e para trás, compatível com previsões aprimoradas do modelo padrão, foi observado.
Limites de confiança na combinação linear C− / Λ2 dos coeficientes de Wilson de operadores EFT de dimensão seis. Os limites são derivados de uma comparação das medições de assimetria de carga apresentadas neste artigo com as previsões do modelo padrão de última geração. Também são mostrados limites derivados das medições de assimetria para frente e para trás no Tevatron usando colisões em uma energia de centro de massa 1,96 TeV, no Run 1, medições de assimetria de carga do LHC em colisões próton-próton em uma energia de centro de massa de 8 TeV. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
O efeito da assimetria de carga no LHC é previsto como extremamente pequeno ( <1%), como o modo de produção dominante de pares de quarks top por meio do espalhamento de glúons (os portadores da força forte) emergindo dos prótons não exibe uma assimetria de carga. Uma assimetria residual só pode ser gerada por processos de espalhamento mais complicados envolvendo também quarks. Contudo, novos processos físicos interferindo nos modos de produção conhecidos podem levar a valores muito maiores (ou até menores). Portanto, uma medição precisa da assimetria de carga é um teste rigoroso do Modelo Padrão. Está entre os mais sutis, difícil, e ainda propriedades importantes para medir no estudo de quarks top.
Um novo resultado ATLAS, apresentado esta semana na Conferência da Sociedade Europeia de Física sobre Física de Altas Energias (EPS-HEP) em Ghent, Bélgica, examina o conjunto de dados Run 2 completo para medir a produção antitop superior em um canal onde um quark superior decai para um leptão carregado, um neutrino e um "jato" hadrônico (um spray de hádrons); e o outro decai para três jatos hadrônicos. A análise inclui totalmente eventos onde os jatos hadrônicos são mesclados (a chamada "topologia impulsionada").
ATLAS encontra evidências de assimetria de carga em eventos de pares de quarks top, com uma significância de quatro desvios padrão. A assimetria de carga medida de 0,0060 ± 0,0015 (stat + syst.) É compatível com a última previsão do Modelo Padrão, e a medição afirma com segurança que a assimetria observada é diferente de zero. É a primeira medição de física de topo do ATLAS a utilizar o conjunto de dados Run 2 completo.
O novo resultado do ATLAS marca um marco muito importante após décadas de medições. A Figura 1 mostra que o conjunto de dados permite ao ATLAS medir a assimetria de carga em função da massa do sistema antitop superior. A Figura 2 mostra os limites resultantes em acoplamentos de teoria de campo eficaz anômala (EFT) que parametrizam efeitos da nova física que estariam além do alcance de serem produzidos diretamente no LHC.
Este novo resultado é mais uma demonstração da capacidade do ATLAS de estudar os efeitos sutis do Modelo Padrão com grande precisão. A concordância observada com as previsões do Modelo Padrão fornece mais uma peça para o quebra-cabeça em nossa compreensão da física de partículas na fronteira de energia.
