Большой адронный коллайдер — самый большой и мощный ускоритель частиц в мире. Кредит: ЦЕРН

Члены группы ATLAS в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики провели последние три года, выполняя комплексный анализ для измерения процесса, включая разработку новых методов для оценки и устранения фоновых и детекторных эффектов, чтобы максимизировать точность и детализацию измерения. Результаты помогут исследователям лучше проверять теории физики элементарных частиц, а также помогут экспериментаторам, изучающим другие процессы в физике элементарных частиц.

«Единственные измерения производства ttW происходят с LHC — это первый коллайдер, который может производить события такого типа с достаточно большой скоростью, чтобы их можно было измерить», — сказал Брендон Буллард, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC и руководитель этих данных.

Озадачивающий избыток

ATLAS впервые наблюдал процесс ttW в 2015 году, используя данные, собранные во время запуска 1 LHC, который проходил между 2010 и 2012 годами. Последующие измерения с использованием подмножества данных, собранных во время запуска 2 (2015-2018 гг.), показали, что ttW возникает больше, чем прогнозировалось. Стандартной моделью физики элементарных частиц, которую физики используют для описания поведения субатомных частиц.

Самое последнее измерение с использованием полного набора данных, собранных ATLAS во время прогона 2, привело к более точному измерению ttW, обнаружив, что общая производительность примерно на 20 процентов превышает теоретические прогнозы. Свежие результаты эксперимента CMS подтверждают это превышение.

«До сих пор неясно, что именно может быть причиной этого несоответствия, но эти результаты действительно указывают на то, что происходит что-то, что мы не принимаем во внимание», — сказал Буллард.

Возможно, за это ответственна новая физика за пределами Стандартной модели.

В качестве альтернативы возможно, что в используемых сегодня моделях отсутствуют необходимые элементы для правильного прогнозирования производства ttW. Теоретики делают прогнозы на основе Стандартной модели с помощью кусочных приближений возрастающей сложности, и тонкие эффекты, которые еще не включены в эти приближения, могут объяснить несоответствие.

В любом случае, теперь теоретики должны попытаться выяснить истину, принимая во внимание эти тонкие эффекты, которые еще предстоит рассчитать, поскольку они приближают ttW.

«Это то, чего раньше не делали, потому что это очень сложно. Но теперь, с нашим результатом, уже есть теоретики, которые заинтересованы в том, чтобы приложить усилия», — сказал Буллард. «Это измерение будет очень полезно для дальнейшего лучшего понимания Стандартной модели и, возможно, даже для выявления некоторых эффектов, выходящих за рамки Стандартной модели, если нам повезет».

Слишком много может быть хорошо

Помимо помощи в уточнении Стандартной модели, изучение различных атрибутов событий ttW предоставляет ученым новый способ исследовать фундаментальные силы, действующие между двумя кварками и W-бозоном, включая сильное взаимодействие, связывающее кварки вместе, и электрослабое взаимодействие. , который управляет электромагнетизмом и радиоактивным распадом.

Более качественные измерения также помогут в изучении еще более редких процессов, происходящих во время столкновений протонов ttW является основным фоном двух других процессов, наблюдаемых на LHC, и ранее физики, обнаруживающие эти процессы, должны были оценивать производство ttW и вычитать его из данных, чтобы найти сигнал, который они искали. Теперь они могут использовать это более точное измерение ttW для более точной идентификации этих редких сигналов.

Одним из таких процессов является образование двух топ-кварков и бозона Хиггса, частицы, которая придает массу определенным частицам, включая кварки и W-бозоны. Это событие, известное как ttH, встречается в 10 раз реже, чем ttW при поиске электронов и мюонов, на которые оно распадается. Более точные измерения ttH помогут физикам измерить, насколько сильно бозон Хиггса связан с топ-кварком, что является ключевым тестом Стандартной модели, который может пролить свет на происхождение массы.

Другой запутанностью процесса ttW является рождение четырех топ-кварков, событие, которое происходит в 50 раз реже и которое ATLAS и CMS недавно наблюдали впервые. Дальнейшее исследование позволит физикам изучить новую физику, которая может включать топ-кварки, самую массивную частицу в Стандартной модели.

«Улучшение понимания процесса ttW, особенно благодаря этому результату, может еще больше улучшить четыре основных измерения и точность, что позволит нам изучить больше свойств этого процесса», — сказал Чжи Чжэн, научный сотрудник SLAC, курировавший анализ четырех верхних кварков в АТЛАС. Она также помогала Булларду с анализом ttW. Совместная работа в SLAC помогла паре перепроверить эти связанные измерения.

«Совместное участие в SLAC позволило установить более тесную связь и сотрудничество между этими двумя измерениями», — сказал Буллард.