Figura 1:Seção transversal do par de quarks superior medida pelo ATLAS em 13, 8 e 7 TeV usando eventos eµ, em comparação com a previsão teórica (banda ciano) em função da energia de colisão. O gráfico inferior mostra a proporção entre as medições e previsões usando várias funções de distribuição de parton. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Como a partícula elementar mais pesada conhecida, o quark top tem um lugar especial na física estudada no Large Hadron Collider (LHC) do CERN. Os pares quark-antiquark superiores são copiosamente produzidos em colisões registradas pelo detector ATLAS, fornecendo um rico campo de testes para modelos teóricos de colisões de partículas nas energias acessíveis mais altas. Quaisquer desvios entre medições e previsões podem apontar para deficiências na teoria - ou primeiros indícios de algo completamente novo.
O ATLAS Collaboration lançou uma nova medição precisa da taxa geral - ou "seção transversal" - da produção do par de quarks no LHC. A medição usa eventos onde um quark top decai para um elétron (e), um neutrino e um quark b, enquanto o outro decai para um múon (µ), um neutrino e um quark b. Isso cria uma assinatura marcante no detector, permitindo aos físicos coletar uma amostra muito limpa de eventos com muito pouco contexto. Apesar de ser responsável por apenas 2 por cento dos decaimentos do par de quarks superiores, Físicos do ATLAS examinaram mais de 230, 000 eventos eµ coletados em 2015-2016 durante a execução 2 do LHC a 13 TeV.
O novo resultado fornece uma medição da seção transversal do par de quarks superior de 826 ± 20 picobarns, ou seja, uma incerteza de apenas 2,4 por cento. Isso concorda perfeitamente com as previsões teóricas de ponta, e junta medições ATLAS precisas anteriores que usaram dados de 7 e 8 TeV (Figura 1). Esta excelente precisão é graças, em grande parte, à excelente reconstrução do detector dos léptons resultantes (elétrons e múons).
Figura 2:Seção transversal diferencial do par de quark top em função da massa invariante do par de quark top e o momento transversal do quark top, conforme medido pelo ATLAS a 13 TeV usando eventos no canal de leptão único, são comparados com a previsão teórica dos cálculos da ordem seguinte à seguinte (NNLO). Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
A nova medição precisa do ATLAS da seção transversal do par de quarks top também foi usada para definir vários parâmetros - incluindo a massa do quark top para m t =173,1 ± 2,1 GeV - e para restringir as "funções de distribuição de pártons" que caracterizam a estrutura interna do próton em termos de seus quarks e glúons constituintes.
As energias e distribuições angulares dos léptons produzidos (ou seja, sua "cinemática") também foram medidas com precisão. Estes foram comparados com as previsões de vários programas "geradores de eventos", usado para modelar eventos de quark top no LHC. Os físicos do ATLAS notaram várias discrepâncias, apontando para a necessidade de cálculos teóricos mais precisos para melhor descrever as distribuições de momento leptônico observadas.
Indo um passo adiante, outro novo resultado do ATLAS se aprofundou na cinemática dos próprios quarks top. Pela primeira vez no ATLAS, a taxa de produção do par de quarks superior foi medida em função de duas variáveis cinemáticas simultaneamente (distribuições 2D, veja a Figura 2).
Figura 3:Seção transversal diferencial do par de quark top em função do momento transversal do quark top, usando 13 eventos TeV no canal de leptão único. Isso é comparado às previsões teóricas do gerador de eventos Powheg + Pythia8 e cálculos NNLO de ordem fixa. O gráfico inferior mostra a proporção entre as previsões e a medição. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Para conseguir isso, os físicos selecionaram eventos de pares de quark top, onde um quark top decai para um leptão, um neutrino e um quark b, enquanto o outro decai em um par b-quark e quark-antiquark. Estudos deste estado final, referido como canal de "leptão único", permitiu que as equipes do ATLAS reconstruíssem com mais precisão a cinemática do par de quarks superior, inclusive nos casos em que são produzidos quarks top "reforçados" com momentum transversal extremamente alto em relação ao eixo de colisão. Eles são de grande interesse para novas pesquisas em física, já que partículas exóticas massivas podem se decompor em dois quarks top altamente aumentados.
Os físicos compararam as distribuições medidas com os cálculos teóricos mais recentes, com estimativas de taxa de produção melhoradas em regimes de alto momentum. Os resultados mostram que os cálculos teóricos prevêem mais quarks top em um momento muito alto do que os observados (Figura 3). Isso confirma e melhora as medições anteriores publicadas pelos experimentos ATLAS e CMS. Além disso, graças à forma da distribuição 2D, a taxa de produção do par do quark top como uma função da massa invariante e o momento transversal do quark top podem ser usados para medições futuras para medir a massa do quark top.
Tomados em conjunto, esses dois novos resultados fornecem uma riqueza de dados para melhorar nossa compreensão da produção de pares de quarks superiores, e para definir ainda mais as propriedades dessa partícula de peso pesado.
