大型强子对撞机ATLAS发现了壮观的四顶夸克生产的证据

候选四顶夸克事件的事件显示，其中两个顶夸克发生轻子衰变（一个带有产生的介子（红色），一个带电子（绿色）），两个顶夸克呈强子衰变（绿色和黄色矩形） ）。射流（带有b标签的射流）显示为黄色（蓝色）锥体。

在今天发布的新结果中，ATLAS协作宣布了生产四只顶级夸克的有力证据。在LHC上每产生7万对顶级夸克，这种罕见的标准模型过程预计只会发生一次，并且事实证明，这一过程极为困难。

顶夸克是标准模型中质量最大的基本粒子，时钟频率为173 GeV，这相当于金原子的质量。但是与质量主要取决于核束缚力的金相反，顶夸克的所有质量都来自与希格斯场的相互作用。因此，当一次产生四个顶级夸克时，它们创造了LHC所见过的最重的粒子最终状态，总共达到了700 GeV。这是寻找具有未知粒子的新物理的理想环境。如果它们存在，物理学家将看到比标准模型预测的产量高出四个顶级夸克，从而进一步激发了对该过程的详细研究。

在对四夸克产量的新搜索中，ATLAS物理学家研究了2015年至2018年记录的完整Run 2数据集。当通过大型强子对撞机的质子-质子碰撞产生时，此过程会在ATLAS探测器中留下引人注目的特征。四个顶夸克产生四个W玻色子和四个射流–准直的粒子喷雾–来自底夸克。然后，W玻色子依次衰减成两个射流或一个带电的轻子（电子，介子或tau轻子）和一个看不见的中微子。最后一步，tau轻子衰变成轻的轻子或带有额外的中微子的射流。

图2：输出信号区域（SR）的增强决策树（BDT）分数。数据以黑色显示；模拟信号为红色。y轴显示事件的数量，并且为对数刻度。该带包括后轮廓似然拟合（后拟合）计算中的总不确定性。数据与总后拟合计算的比率显示在下面的面板中。

对于此结果，物理学家选择专注于碰撞事件，以产生两个带相同电荷的三个轻子或三个轻子。尽管仅占所有四顶夸克衰变的12％，但这些特征更容易与ATLAS检测器中的背景过程区分开。但是，检测信号需要详细了解其余的后台过程以及使用复杂的分离技术。

当一次产生四个顶夸克时，它们创造了LHC所见过的最重的粒子最终状态，总共达到了700 GeV。

ATLAS的物理学家使用信号的独特特征训练了多元判别式（增强决策树），包括大量喷射，其夸克味起源（是否为底部夸克）以及被测粒子的能量和角度分布。类似于信号的主要本底过程来自与其他粒子（例如W或Z玻色子，希格斯玻色子或另一顶夸克）相关联的一对顶夸克的产生。ATLAS和CMS合作社最近才观察到其中一些过程。

对于喷气机数量的分布，BDT得分大于0的信号区域事件的数据和预测之间的比较。该带包括后轮廓似然拟合（后拟合）计算中的总不确定性。数据与总后拟合计算的比率显示在下面的面板中。

主要通过专门的模拟对每个背景过程进行了评估，这些模拟包括来自最佳可用理论预测的信息。最困难的背景处理（使用W玻色子的顶级夸克对生产和使用假l子的背景）必须使用来自专用控制区域的数据来确定。当轻子的电荷被错误地识别时，或者当轻子来自不同的过程但归因于信号时，就会产生假的轻子。两者都必须被很好地理解和精确评估，以减少最终结果的系统性不确定性。

ATLAS测得四个顶夸克的生产横截面为24 + 7–6 fb，这与标准模型预测值（12 fb）在1.7个标准偏差下是一致的。信号显着性总计为4.3个标准差，对于2.4个标准差的预期显着性为四顶夸克信号等于标准模型预测。测量结果为该过程提供了有力的证据。

下一次大型强子对撞机运行的其他数据以及所采用的分析技术的进一步发展，将提高这一具有挑战性的测量的精度。