Das ATLAS-Experiment hat bestätigt, dass ein Trio von Teilchen – ein Top-Antitop-Quark-Paar und ein W-Boson – häufiger als erwartet nach Proton-Proton-Kollisionen im Large Hadron Collider (LHC) auftritt.
Der Prozess, der diese drei Teilchen nach dem Aufprall erzeugt, ist ziemlich selten: Nur eine von 50.000 Kollisionen am LHC erzeugt das Trio, bekannt als ttW. Nach ihrer Entstehung sind Top-Quarks und W-Bosonen kurzlebig und zerfallen fast sofort, sodass das Team ttW-Ereignisse anhand der Elektronen und Myonen identifizierte, in die sie zerfallen.
Mitglieder der ATLAS-Gruppe am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums haben die letzten drei Jahre damit verbracht, eine komplexe Analyse zur Messung des Prozesses durchzuführen, einschließlich der Entwicklung neuartiger Methoden zur Schätzung und Entfernung von Hintergrund- und Detektoreffekten, um die Genauigkeit und Detailtreue der Analyse zu maximieren der Messung. Die Ergebnisse werden Forschern dabei helfen, Theorien der Elementarteilchenphysik besser zu testen, sowie Experimentatoren helfen, andere teilchenphysikalische Prozesse zu untersuchen.
„Die einzigen Messungen der ttW-Produktion stammen vom LHC – es ist der erste Collider, der diese Art von Ereignissen mit einer ausreichend großen Rate erzeugen kann, um gemessen zu werden“, sagte Brendon Bullard, wissenschaftlicher Mitarbeiter am SLAC National Accelerator Laboratory und Leiter dieser Daten Analyse.
Ein rätselhafter Exzess
ATLAS beobachtete den ttW-Prozess erstmals im Jahr 2015 anhand von Daten, die während des Laufs 1 des LHC gesammelt wurden, der zwischen 2010 und 2012 stattfand. Nachfolgende Messungen unter Verwendung einer Untergruppe von Daten, die während Lauf 2 (2015-2018) gesammelt wurden, deuteten darauf hin, dass ttW stärker auftauchte als vorhergesagt durch das Standardmodell der Teilchenphysik, mit dem Physiker das Verhalten subatomarer Teilchen beschreiben.
Die jüngste Messung unter Verwendung des vollständigen Datensatzes, der von ATLAS während Lauf 2 gesammelt wurde, hat zu einer genaueren Messung von ttW geführt, wobei festgestellt wurde, dass die Gesamtproduktionsrate etwa 20 Prozent höher ist als die theoretischen Vorhersagen. Neue Ergebnisse aus dem CMS-Experiment bestätigen diesen Überschuss.
„Es ist immer noch unklar, was genau diese Diskrepanz verursachen könnte, aber diese Ergebnisse scheinen wirklich darauf hinzudeuten, dass etwas vor sich geht, das wir nicht berücksichtigen“, sagte Bullard.
Es ist möglich, dass neue Physik jenseits des Standardmodells dafür verantwortlich ist.
Alternativ ist es möglich, dass den heute verwendeten Modellen die notwendigen Elemente fehlen, um die ttW-Produktion korrekt vorherzusagen. Theoretiker machen Vorhersagen aus dem Standardmodell durch stückweise Annäherungen mit zunehmendem Schwierigkeitsgrad, und subtile Effekte, die noch nicht in diese Annäherungen aufgenommen wurden, können die Diskrepanz erklären.
Wie auch immer, Theoretiker müssen jetzt versuchen, die Wahrheit herauszufinden, indem sie diese noch zu berechnenden subtilen Effekte berücksichtigen, wenn sie sich ttW annähern.
„Das ist etwas, das noch nie zuvor gemacht wurde, weil es sehr schwierig ist. Aber jetzt, mit unserem Ergebnis, gibt es bereits Theoretiker, die daran interessiert sind, sich anzustrengen“, sagte Bullard. „Diese Messung wird sehr nützlich sein, um das Standardmodell weiter besser zu verstehen und vielleicht sogar einige Effekte jenseits des Standardmodells zu identifizieren, wenn wir Glück haben.“
Zu viel kann gut sein
Neben der Verfeinerung des Standardmodells bietet die Untersuchung verschiedener Attribute von ttW-Ereignissen Wissenschaftlern eine neue Möglichkeit, grundlegende Kräfte zu untersuchen, die zwischen den beiden Quarks und dem W-Boson wirken, einschließlich der starken Wechselwirkung, die Quarks aneinander bindet, und der elektroschwachen Wechselwirkung , die Elektromagnetismus und radioaktiven Zerfall regelt.
Bessere Messungen werden auch bei der Untersuchung noch seltenerer Prozesse helfen, die bei Protonenkollisionen auftreten. ttW ist ein wichtiger Hintergrund von zwei anderen am LHC beobachteten Prozessen, und zuvor mussten Physiker, die diese Prozesse entdeckten, die ttW-Produktion schätzen und sie von den Daten subtrahieren, um das gesuchte Signal zu finden. Jetzt können sie diese präzisere Messung von ttW verwenden, um diese seltenen Signale genauer zu identifizieren.
Einer dieser Prozesse ist die Produktion von zwei Top-Quarks und einem Higgs-Boson, dem Teilchen, das bestimmten Teilchen, einschließlich Quarks und W-Bosonen, Masse verleiht. Dieses als ttH bekannte Ereignis ist zehnmal seltener als ttW, wenn man nach den Elektronen und Myonen sucht, in die es zerfällt. Bessere Messungen von ttH werden Physikern helfen zu messen, wie stark das Higgs mit dem Top-Quark koppelt, ein Schlüsseltest des Standardmodells, der Aufschluss über den Ursprung der Masse geben kann.
Der andere Prozess, den ttW durcheinanderbringt, ist die Produktion von vier Top-Quarks, ein 50-mal selteneres Ereignis, das ATLAS und CMS kürzlich erstmals beobachtet haben. Weitere Untersuchungen werden es Physikern ermöglichen, neue Physik zu untersuchen, die Top-Quarks, die massereichsten Teilchen im Standardmodell, beinhalten könnte.
„Ein verbessertes Verständnis des ttW-Prozesses, insbesondere mit diesem Ergebnis, kann die vier Top-Messungen und die Präzision weiter verbessern, sodass wir mehr Eigenschaften dieses Prozesses untersuchen können“, sagte Zhi Zheng, wissenschaftlicher Mitarbeiter am SLAC, der die Analyse der vier Top-Quarks bei leitete ATLAS. Sie half Bullard auch bei der ttW-Analyse. Die Zusammenarbeit bei SLAC half dem Paar, diese verknüpften Messungen zu überprüfen.
„Die gemeinsame Teilnahme am SLAC hat eine größere Verbindung und Zusammenarbeit zwischen diesen beiden Messungen ermöglicht“, sagte Bullard.