在同行中独一无二的是顶夸克——自 90 年代以来,科学界一直在详细研究一种迷人的粒子。它的大质量使它成为唯一在形成束缚态(称为强子化的过程)之前衰变的夸克,并使其与希格斯玻色子的耦合最强。理论家预测它也可能与新粒子发生强烈相互作用——如果确实如此,大型强子对撞机 (LHC) 是发现的理想场所,因为它是一个“顶夸克工厂”。


虽然大多数顶夸克在 LHC 中是成对产生的,但碰撞偶尔会产生单个顶夸克。LHC 在其令人印象深刻的 Run-2 数据采集期间(2015-2018 年)产生了超过 4200 万个单顶夸克。与顶夸克对产生不同,单顶夸克总是通过左手电弱相互作用产生。这会影响产生的顶夸克的自旋方向,进而影响其衰变产物的自旋。通过研究单独产生的顶夸克,物理学家能够检查顶夸克的自旋与给定方向(其极化)对齐的程度。此参数对新的物理效果特别敏感。在 ATLAS Collaboration 提出的一项新结果中,物理学家首次测量了顶夸克和反夸克的完整偏振矢量。


物理学家成功测量了顶夸克和反夸克的完整偏振矢量

图 1:在二维极化参数空间 Pz'、Px' 上绘制的观察到的最佳拟合极化测量的摘要,其仅统计(绿色)和统计+系统(黄色)轮廓处于 68% 置信水平。黑色圆圈的内部代表参数空间的物理允许区域。图片来源:ATLAS 合作/欧洲核子研究中心


在促成单顶夸克产生的不同机制中,“t 通道”在 LHC 中占主导地位。在 t 通道中,顶夸克与另一个粒子一起衰变,称为“旁观夸克”。这个旁观者对于测量顶夸克的极化至关重要,因为它的运动方向预计与顶夸克的自旋方向一致——至少在大多数情况下是这样。这并非总是如此; 此外,顶夸克和反夸克的自旋方向应该不同。


物理学家成功测量了顶夸克和反夸克的完整偏振矢量

图 2:作为带电轻子的 cos θy 角的函数的归一化差分横截面测量。将显示为具有统计不确定性的黑点的数据与各种标准模型蒙特卡罗生成的顶夸克和顶反夸克的 t 通道信号预测进行比较。不确定性带包括统计不确定性和系统不确定性。下面的面板显示了每个 bin 中预测与数据的比率。图片来源:ATLAS 合作/欧洲核子研究中心


为了完全理解这种行为,ATLAS 物理学家开始测量完整的顶夸克和反夸克极化矢量。首先,他们必须区分在 t 通道中产生的顶夸克和在探测器中留下相同特征的其他过程。研究人员在他们的碰撞事件中搜索 t 通道的特征;即,具有两个处于最终状态的喷流(观察夸克和顶夸克衰变的底夸克)或具有大赝快速度的观察夸克的事件。他们得到的选择在 t 通道单独产生的顶夸克中是非常纯的。


在它产生之后,顶夸克几乎完全衰变成一个 W 玻色子和一个底夸克。W 玻色子将进一步衰变为一对夸克(强子通道)或一个轻子和一个中微子(轻子通道)。轻子通道对物理学家来说特别有趣,因为轻子的角分布与顶夸克的自旋密切相关。ATLAS Collaboration 的新结果利用这一特征首次提供了顶夸克和反夸克的完整偏振矢量(见图 1)。对于顶夸克,沿着旁观夸克喷流的方向有很大程度的极化,而对于顶反夸克,则相反。


此外,ATLAS 物理学家测量了顶夸克的微分截面作为这些角分布的函数。他们的测量结果可以直接与当前和未来的理论预测进行比较。图 2 显示了作为带电轻子角分布函数的 t 通道产生的三个差分横截面测量之一。结果与标准模型预测一致。


ATLAS 的新分析还在寻找超出标准模型的现象方面取得了重要进展。特别是,无法在 LHC 上直接产生的新粒子仍然会对本分析中测量的分布产生相当大的影响。研究这些为研究人员提供了一种独立于模型的方法,可以根据算子描述与理论预测的可能偏差,在标准模型中为零。


具体而言,ATLAS 研究人员研究了“OtW 偶极算子”。这个算子有实部和虚部;后者特别令人感兴趣,因为它在顶对生产中不可访问,并且非零值将暗示顶夸克扇区中的 CP 违反分量。新的 ATLAS 结果对该系数的实部和虚部设置了约束。在 95% 的置信水平下,实部限制在 [-0.7, 1.5] 内,虚部限制在 [-0.7,0.2] 内,两者均与零兼容。对于虚部,提供的限制是迄今为止高能实验中最严格的。



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