Visualização 3D do ímã do LHC. Crédito:D. Dominguez &M. Brice / CERN
O Large Hadron Collider (LHC) do CERN é famoso por colidir prótons em energias recordes mundiais - mas às vezes vale a pena diminuir a energia e ver o que acontece em condições menos extremas. O LHC começou a operar em 2010 com uma energia de colisão de 7 TeV, e funcionou a 13 TeV de 2015 a 2018. Mas por uma semana em 2017, o LHC produziu colisões de intensidade moderada a apenas 5 TeV - permitindo que os cientistas analisassem a produção de várias partículas elementares com uma energia de colisão mais baixa.
Uma partícula que eles estavam especialmente interessados em estudar era o quark top. Como a partícula elementar mais pesada conhecida, a taxa (ou seção transversal) para a produção de pares de quarks top depende fortemente da energia de colisão alcançada. Medindo a taxa de produção em diferentes energias, os cientistas podem aprender mais sobre as distribuições dos quarks e glúons que constituem o próton.
A ATLAS Collaboration no CERN lançou uma nova medição da taxa de produção do par de quarks top na amostra de dados de 5 TeV. Com apenas uma semana de dados, sua medição final tem uma incerteza de apenas 7,5%. Esta incerteza é principalmente devido ao tamanho muito pequeno da amostra de dados de 5 TeV, com incertezas sistemáticas relacionadas à calibração da luminosidade do LHC e a resposta experimental sendo apenas alguns por cento.
Os quarks top decaem rapidamente e deixam uma assinatura distinta no detector. Para detectar eventos de colisão de par superior, Os físicos do ATLAS procuraram eventos com dois elétrons, dois muons, ou um par elétron-múon, um ou dois jatos de partículas com 'b-tag' (provenientes de decaimentos de quark b), e um desequilíbrio de momento significativo indicando a presença de um neutrino. Esta seleção suprime fortemente os eventos de fundo da produção de outros tipos de partículas, particularmente no caso de eventos elétron-múon. Em eventos com dois elétrons ou dois múons, ainda há um grande pano de fundo de eventos com bósons Z para enfrentar. Os físicos reduziram esse background usando as energias e ângulos medidos dos elétrons e múons, exigindo que sua combinação seja inconsistente com a origem de um decaimento do bóson Z.
Seção transversal de produção do par superior em função da energia de colisão, mostrando as medidas do ATLAS (círculos pretos e triângulo vermelho) em comparação com a previsão teórica (banda ciano). Os gráficos inferiores mostram a proporção das medições para a previsão usando várias funções de distribuição de parton, ou seja, parametrizações da estrutura interna do próton usando diferentes suposições e conjuntos de dados de entrada. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
A nova medição é mostrada no gráfico apresentado neste artigo (o triângulo vermelho). Medições anteriores em energias mais altas de eventos elétron-múon isoladamente também estão incluídas. A seção transversal em 5 TeV é mais do que um fator dez menor do que na energia mais alta de 13 TeV. Todas as medições estão em excelente acordo com as previsões teóricas, que combinam a teoria da cromodinâmica quântica com o conhecimento da estrutura interna do próton.
Essas comparações servem para validar a compreensão das colisões próton-próton, e atuar como um trampolim para a próxima execução do LHC começando em 2022, onde o CERN espera aumentar ainda mais a energia de colisão do LHC para 14 TeV.
