Nuove scoperte dalla ricerca sul quark top al LHC

Questo articolo parla della ricerca di quark top, che sono particelle fondamentali nella fisica. In particolare, si cerca coppie di quark top che abbiano la stessa carica elettrica. Gli esperimenti sono stati condotti al Large Hadron Collider (LHC) utilizzando il Rivelatore ATLAs, un dispositivo complesso progettato per osservare e misurare le particelle prodotte durante le collisioni ad alta energia dei protoni.

#Contesto

Il quark top è uno dei sei tipi di quark ed è noto per essere molto pesante. Nella fisica delle particelle standard, non ci si aspetta di trovare coppie di quark top con la stessa carica prodotte in circostanze normali. Tuttavia, studiare la loro produzione può aiutare gli scienziati a capire se ci sono processi o interazioni oltre il modello standard attuale della fisica delle particelle.

#Il rivelatore ATLAS

Il rivelatore ATLAS è uno strumento grande e sofisticato situato all'LHC, che si trova sottoterra in Europa. Ha una serie di componenti che permettono misurazioni dettagliate degli eventi di collisione, tra cui:

• Rivelatore di tracciamento interno: Questa parte tiene traccia delle particelle cariche.
• Calorimetri: Questi misurano l'energia delle particelle.
• Spettrometro di muoni: Questo rileva i muoni, un tipo di lepton pesante simile agli elettroni.

Il rivelatore ATLAS può registrare una grande quantità di dati dalle collisioni che si verificano quando i protoni vengono sbattuti insieme ad altissima energia.

#Il processo di ricerca

La ricerca delle coppie di quark top con la stessa carica ha coinvolto la raccolta di dati dalle collisioni proton-proton a un'energia di centro di massa. In totale, sono stati registrati circa 140 fb di dati tra il 2015 e il 2018. L'analisi si è concentrata sugli eventi in cui sono stati rilevati due leptoni (particelle come elettroni o muoni) con la stessa carica, insieme ad almeno due jet di particelle prodotte durante le collisioni.

#Selezione degli eventi

Per identificare eventi rilevanti, sono stati utilizzati criteri specifici:

1. Gli eventi devono avere due leptoni con la stessa carica.
2. Devono essere presenti almeno due jet, in particolare quelli contrassegnati come contenenti quark pesanti (b-jet).

#Reti neurali

Sono state utilizzate reti neurali, una forma di intelligenza artificiale, per migliorare il processo di selezione. Queste reti hanno aiutato a differenziare tra eventi che potrebbero indicare la presenza di nuova fisica e quelli che potrebbero essere spiegati all'interno del modello standard.

#Risultati

La ricerca non ha prodotto segnali significativi di coppie di quark top con la stessa carica. Tuttavia, l'analisi ha permesso ai ricercatori di stabilire limiti sui loro potenziali tassi di produzione. È stato stabilito un limite superiore di 1,6 fb a un livello di confidenza del 95% per la produzione totale di queste coppie di quark top con la stessa carica.

#Coefficienti di Wilson

Nel contesto della ricerca, i ricercatori hanno anche esaminato tre parametri specifici noti come coefficienti di Wilson, che sono associati a modelli teorici che si estendono oltre il modello standard. Questi coefficienti aiutano gli scienziati a esplorare nuove interazioni che potrebbero coinvolgere i quark top.

#Contesto teorico

In circostanze normali, la produzione di coppie di quark top con la stessa carica elettrica non è consentita all'ordine principale in teoria, rendendo la ricerca di queste coppie un interessante test per la nuova fisica. Se venissero trovate coppie, suggerirebbe interazioni o particelle che attualmente non sono comprese.

#Teoria dei campi efficace (EFT)

La ricerca ha utilizzato la teoria dei campi efficace per simulare possibili scenari di nuova fisica riguardanti le coppie di quark top. Questo approccio considera il modello standard come un'approssimazione di una teoria sottostante più basilare.

#Ricerche precedenti

Tentativi precedenti di trovare queste coppie di quark top con la stessa carica erano stati condotti sia dalla collaborazione ATLAS che dalla CMS all'LHC. Analisi precedenti hanno stabilito alcuni limiti superiori sui tassi di produzione basati su eventi e misurazioni simili, ma questa ricerca mirava a fornire una ricerca più mirata con una dipendenza ridotta dai modelli teorici.

#Dati e simulazione

Per interpretare i dati raccolti, i ricercatori si sono affidati a eventi di collisione simulati per comprendere il comportamento atteso in diverse condizioni. Queste simulazioni hanno utilizzato vari strumenti che modellavano le interazioni e i comportamenti delle particelle risultanti basati su principi fisici noti.

#Conclusione

La ricerca di coppie di quark top con la stessa carica all'LHC ha fornito informazioni preziose nonostante non sia stato rilevato un segnale significativo. I limiti superiori stabiliti sui tassi di produzione contribuiscono al corpo di conoscenze riguardanti le particelle fondamentali e le interazioni che le governano. Con la continuazione di ricerche come questa, gli scienziati sperano di scoprire nuovi fenomeni che potrebbero ridefinire la nostra comprensione dell'universo.

#Riconoscimenti

Il funzionamento dell'LHC e il lavoro svolto dalla collaborazione ATLAS si sono affidati fortemente al supporto di vari team scientifici e ingegneristici in tutto il mondo. Questi sforzi assicurano che gli esperimenti possano essere condotti in modo efficace e che i dati possano essere analizzati a fondo.

#Direzioni future

Con l'avanzare della tecnologia e dei modelli teorici, ci saranno probabilmente più opportunità per esplorare le complessità della fisica delle particelle. Indagini continue sulla produzione e le interazioni dei quark top potrebbero fornire ulteriori informazioni che potrebbero illuminare il cammino verso una comprensione più completa della natura fondamentale della materia.