A ATLAS Collaboration no CERN anunciou forte evidência da produção de quatro quarks top. Espera-se que esse raro processo de modelo padrão ocorra apenas uma vez para cada 70 mil pares de quarks top criados no Large Hadron Collider (LHC) e tem se mostrado extremamente difícil de medir.

O quark top é a partícula elementar mais massiva no Modelo Padrão, com clock de 173 GeV, que é equivalente à massa de um átomo de ouro. Mas ao contrário do ouro, cuja massa é principalmente devida à força de ligação nuclear, o quark top obtém toda a sua massa da interação com o campo de Higgs. Então, quando quatro quarks top são produzidos em um único evento, eles criam o estado final de partícula mais pesada já visto no LHC, com quase 700 GeV no total. Este é um ambiente ideal para pesquisar novas físicas com partículas ainda desconhecidas contribuindo para o processo. Devem existir, os físicos verão a produção adicional de quatro quarks top acima do que é previsto pelo modelo padrão, motivando ainda um estudo detalhado do processo.

Em sua nova busca pela produção de quatro quarks top, Os físicos do ATLAS estudaram todo o conjunto de dados da Run 2, registrado entre 2015 e 2018. Quando produzido por meio de colisões próton-próton no LHC, este processo deixa assinaturas espetaculares no detector ATLAS. Os quatro quarks top produzem quatro bósons W e quatro jatos - sprays colimados de partículas - originados dos quarks bottom. Os bósons W então, por sua vez, cada decaimento em dois jatos ou um leptão carregado (elétron, léptons muon ou tau) e um neutrino invisível. Como uma etapa final, os léptons tau decaem em um leptão mais leve ou jato, com neutrinos adicionais.

Para este resultado, os físicos optaram por se concentrar em eventos de colisão produzindo dois léptons com a mesma carga ou três léptons. Apesar de ser responsável por apenas 12% de todos os decaimentos de quark quatro top, essas assinaturas são mais fáceis de distinguir dos processos de segundo plano no detector ATLAS. A detecção de um sinal, no entanto, exigiu uma compreensão detalhada dos processos de fundo restantes e o uso de técnicas de separação sofisticadas.

Os físicos do ATLAS treinaram um discriminante multivariado (árvore de decisão reforçada) usando as características distintas do sinal, incluindo o grande número de jatos, sua origem com sabor de quark (quark inferior ou não), e as energias e distribuições angulares das partículas medidas. Os principais processos de background que se assemelham ao sinal decorrem da produção de um par de quarks top em associação com outras partículas, como um bóson W ou Z, um bóson de Higgs, ou outro quark top. Alguns desses processos só recentemente foram observados pelas Colaborações ATLAS e CMS.

Cada processo de background foi avaliado individualmente, principalmente por meio de simulações dedicadas que incluíram informações das melhores previsões teóricas disponíveis. Os processos de fundo mais difíceis - a produção do par de quarks superior com um bóson W e os fundos com leptons falsos - tiveram que ser determinados usando dados de regiões de controle dedicadas. Léptons falsos surgem quando a carga de um leptão é identificada incorretamente, ou quando os léptons vêm de um processo diferente, mas são atribuídos ao sinal. Ambos tiveram que ser bem compreendidos e avaliados com precisão a fim de reduzir a incerteza sistemática no resultado final.

ATLAS mediu a seção transversal para a produção de quatro quarks top em 24 ⁺⁷ _–6 fb, que é consistente com a previsão do Modelo Padrão (12 fb) em 1,7 desvios padrão. A significância do sinal atinge 4,3 desvios padrão, para uma significância esperada de 2,4 desvios padrão, o sinal do quark quatro top foi igual à previsão do Modelo Padrão. A medição fornece fortes evidências para este processo.

Dados adicionais da próxima execução do LHC - juntamente com novos desenvolvimentos das técnicas de análise empregadas - irão melhorar a precisão desta medição desafiadora.