Пресс-центр

Физики вплотную приблизились к регистрации одновременного рождения четырех t-кварков

Топ-кварки – самые тяжелые элементарные частицы Стандартной модели (СМ). Недавно, эксперимент CMS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил работу, посвященную поиску одновременного рождения сразу четырех топ-кварков – двух t и двух анти-t. Измерения CMS согласуются с предсказаниями СМ и позволяют исследовать её хиггсовский сектор, а также наложить ограничения на параметры гипотетических частиц Новой физики.

На сегодняшний день БАК является единственным ускорителем, на котором возможна регистрация прямого рождения t-кварков. Ведущими экспериментами, изучающими эти частицы, являются ATLAS и CMS. Недавно, мы сообщали о зафиксированном экспериментом ATLAS указании на асимметричный характер рождения пар t – анти-t. Сегодня же речь пойдет о другом процессе — одновременном рождении двух пар t –анти-t, для поиска которого также необходима высокая светимость БАК (величина, пропорциональная числу протон-протонных столкновений).

СМ предсказывает чрезвычайно малую вероятность для такого процесса — его сечение составляет 12.0 ± 2.5 фемтобарн. Светимость принято выражать в обратных фемтобарнах. В ходе второго этапа работы БАК при энергии взаимодействующих протонов 13 ТэВ эксперимент CMS собрал данные, соответствующие интегральной светимости 137 фб–1 — то есть за все это время произошло лишь порядка десяти одновременных рождений четырех топ-кварков. Диаграммы СМ, ответственные за этот процесс, приведены на рисунке 1. Рождение  идет через взаимодействие глюонов – частиц-переносчиков сильного взаимодействия, которые входят в состав протона. Так как в промежуточном состоянии может проявляться бозон Хиггса, то через измерение рождения  можно определить свойства этой частицы. Более того, ожидается, что одновременное рождение двух пар t – анти-t может оказаться чувствительным к проявлениям так называемой Новой физики, например, к существованию гипотетических тяжелых частиц.

Новую работу по поиску одновременного рождения двух пар t – анти-t выпустил эксперимент CMS. Топ-кварки распадаются преимущественно на b-кварки и W-бозоны. W-бозоны, в свою очередь, распадаются либо на пару кварк-антикварк, либо на пару лептон-нейтрино. Поскольку при распадах t-кварков и W-бозонов выделяется много энергии, кварки, образовавшиеся в ходе таких процессов, формируют пучки адронов – адронные струи. Поэтому события -рождения сопровождаются большим количеством струй адронов (в том числе и наличием b-струй), высокоэнергичными лептонами из распадов W-бозонов, а также некомпенсированным поперечным импульсом, возникающим из-за присутствия нейтрино. Физики CMS изучали события, в которых были зарегистрированы струи, либо два лептона (электрона или мюона) с одинаковым зарядом, либо три и более лептона.

Поиску событий -рождения мешают фоновые события, основным из которых является одновременное рождение пары t – анти-t и дополнительной тяжелой частицы: W, Z или H. Есть и другие фоновые процессы. Для отделения сигнальных событий от фоновых (построения так называемой дискриминирующей переменной) физики применили метод деревьев принятия решений (англ. boosting decision tree, BDT). События-кандидаты были разделены на 18 категорий, различающихся по значению дискриминирующей переменной. Как видно из рисунка 2, процесс -рождения дает заметный вклад лишь в некоторые категории SR14-18. Оценив число сигнальных событий, экспериментаторы вычислили сечение одновременного рождения двух пар t – анти-t. Оно составило 12.6+5.8– 5.2 фб, предсказанное же СМ сечение составляет 12.0+2.2– 2.5 фб. Статистическая значимость сигнала пока чуть ниже трех стандартных отклонений, что не позволяет говорить об открытии -рождения, но полученный результат внушает оптимизм.

То, что вероятность исследуемого процесса близка к предсказанной, накладывает ограничения на многие расширения СМ. Например, на рисунке 3 приведены ограничения на массы и константы связи для гипотетических частиц Новой физики: нейтральных скалярных частиц (ф) и векторных (Z’). Получены ограничения и на другие параметры Новой физики.

Подробнее об анализе данных можно узнать из препринта публикации, которая направлена в реферируемый журнал. Сейчас физики ждут полного набора данных ATLAS, записанных в ходе второго этапа работы БАК. Ранее этот эксперимент уже проводил поиск рождения .

Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в проведении экспериментов ATLAS и CMS.