ATLAS investiga interações de quarks top-antitop perto do limite
Os quarks superiores são as partículas elementares mais pesadas conhecidas. Eles são produzidos em pares com seu equivalente antipartícula, o quark antitop. Pesquisadores do Massive Hadron Collider (LHC) colidem prótons em energias extremamente altas na esperança de produzir esses pares de quarks superiores. A energia mínima necessária para criar um par é conhecida como limite de produção (aproximadamente duas vezes a massa superior). Perto deste limiar, as partículas movem-se de forma relativamente lenta e, devido à força nuclear forte, podem interagir brevemente com força suficiente para formar um estado quase ligado antes de cada quark prime decair individualmente.
Neste trabalho, os pesquisadores usaram um enorme conjunto de dados coletados com o detector ATLAS no LHC. Os pares de quarks superiores decaem demasiado rapidamente para serem observados diretamente, por isso a equipa do ATLAS estudou os seus produtos de decaimento. Um quark prime geralmente decai em um bóson W e um quark b, enquanto o quark antitop decai nas antipartículas correspondentes. Os bósons W então decaem ainda mais, seja através do decaimento leptônico (produzindo um elétron, múon ou tau mais um neutrino) ou através do decaimento hadrônico, que produz jatos de partículas.
A análise ATLAS concentra-se no caso em que ambos os bósons W decaem leptonicamente em elétrons e múons e reconstrói a massa invariante do sistema usando a energia e o momento dos produtos de decaimento.
Se os efeitos não relativísticos da QCD forem incluídos, espera-se que a taxa de eventos próxima ao limite seja maior do que a prevista apenas pela QCD perturbativa padrão, devido a contribuições como a formação de estados quase ligados que não são contabilizados na estrutura perturbativa. A análise também emprega observáveis de correlação de spin para aumentar a sensibilidade à estrutura de spin única dos fenômenos. Se os efeitos não relativíticos da QCD ocorrerem perto do limiar de produção, incluindo a formação de estados quase ligados, os físicos esperam ver um excesso de eventos concentrados em massas próximas da energia mínima necessária para produzir o par.
Os pesquisadores observaram significativamente mais eventos próximos ao limite de produção (∼345 GeV) do que os cálculos padrão de QCD previam, confirmando uma medição anterior semelhante feita pela colaboração CMS. O excesso corresponde às previsões da QCD não relativística de que os quarks prime e antitop realizam brevemente interação QCD não relativística, incluindo a formação de estados quase ligados, antes de se separarem e decaírem. Isto é importante porque fornece fortes evidências de um efeito quântico subtil da força forte e melhora a nossa compreensão do comportamento dos quarks prime num regime extremo. Esta medição sublinha a capacidade das experiências do LHC na fronteira da precisão, reforçando a interação important entre teoria e experiência nestes estudos de precisão.
“Esta é uma descoberta muito emocionante que leva ao extremo a nossa compreensão atual da física dos quarks superiores e da sua modelação. Só foi possível graças aos esforços recentes para ligar a teoria da informação quântica e a física dos colisores.” – Yoav Afik, físico ATLAS afiliado ao Instituto Enrico Fermi da Universidade de Chicago
“Com o conjunto de dados da Corrida 3 recém-coletado, que é duas vezes maior que o conjunto de dados da Corrida 2 usado nesta primeira análise, seremos capazes de examinar esse excesso com muito mais detalhes e determinar se ele pode ser descrito apenas por efeitos QCD não relativísticos, ou se há algo mais nisso.” – Baptiste Ravina, pesquisador sênior do CERN
Quer saber mais sobre esse assunto?
Rumo à identificação de uma nova física através de processos que violam o sabor do quark por Andrzej J Buras e Jennifer Girbach (2014)