23 juli 2024

Simultane productie van vier top quarks waargenomen door ATLAS en CMS

Waarnemingen aan de productie van vier top quarks. Credit: CERN

Natuurkundigen zijn er met de grote ATLAS en CMS detectoren, die verbonden zijn aan de Large Hadron Collider (LHC), ’s werelds grootste deeltjesversneller bij Genève, in geslaagd om de simultane productie waar te nemen van vier top quarks. Dat is een zeldzaam fenomeen en het maakt de weg vrij om kennis op te doen over ‘Nieuwe natuurkunde’, natuurkunde die verder gaat dan het Standaard Model (SM). Deze week werd in het Franse Moriond de jaarlijkse ‘Rencontres de Moriond‘ gehouden, de conferentie over hoge energiefysica.  Daar werden door de teams verbonden aan ATLAS en CMS de resultaten bekendgemaakt die waargenomen waren tijdens Run 2 van de LHC (2015-2018). Met een statische betrouwbaarheid van maar liefst 6,1σ werd door ATLAS tijdens die run de productie van vier top quarks waargenomen, in de vorm van twee paren van een top quark en een anti-top quark, CMS deed datzelfde met een betrouwbaarheid van 5,5σ  – beiden hoger dan de 5σ dat beschouwd wordt als de ondergrens om van een ‘wetenschappelijk bewijs’ te spreken. Het top quark is de zwaarste van de zes smaken quarks, met een massa van 172,76 GeV is ‘ie zelfs nog zwaarder dan het Higgs boson, dat 125,25 GeV zwaar is. Vanwege z’n grote massa is het top quark ook het meest verbonden met het Higgs boson en dat maakt hem het ideale deeltje om meer te weten te komen over Nieuwe natuurkunde.

De CMS detector. Credit: CERN

In de LHC kunnen top quarks geproduceerd worden als gevolg van botsingen van gluonen, de bosonen die de quarks aan elkaar binden. Bij de waarnemingen met ATLAS en CMS zijn de top quarks zelf niet waargenomen, die leven maar zeer kort, pakweg 5 x 10^-25 seconde, te kort om dan waar te nemen. Maar wat ze wel kunnen waarnemen is de ‘handtekening’ (Engels: signature) van het top quark, dat zijn de deeltjes waar het in vervalt. Een top quark vervalt in een W boson (drager van de zwakke wisselwerking) en een bottom quark, het W boson op haar beurt vervalt weer in een geladen lepton en een neutrino of in een quark-antiquark paar. De simultane productie van vier top quarks kan dus leiden tot nul tot vier geladen leptonen en maximaal 12 jets van quarks. Eerder waren door ATLAS en CMS al paren van top quarks en antitop quarks ontdekt, maar de productie van de nu waargenomen dubbele paren is maar liefst 70.000 keer lager dan die van de enkele paren, hetgeen duidelijk maakt dat het om een zeldzaam fenomeen gaat. Andere vergelijking: de productie van vier top quarks komt 4.000 keer minder vaak voor dan de productie van een Higgs boson, dat op zich ook al een zeldzaam fenomeen is. Alle gegevens verzameld met ATLAS en CMS zijn geanalyseerd met kunstmatige intelligentie (AI) om de signalen van de top quarks te onderscheiden van de achtergrondruis, iets wat jaren kan duren. Met de gegevens verzameld tijdens Run 3 van de LHC, die op 5 juli 2022 begon, hopen ze meer te weten te komen over de top quarks en de mogelijke toegang die zij bieden tot natuurkunde BSM, Beyond Standard Model.

Bron: CERN.

Share

Speak Your Mind

*