已知最重的基本粒子：頂夸克

作為已知最重的基本粒子，頂夸克在歐洲核子研究中心大型強子對撞機(LHC)的物理學研究中佔有特殊地位。阿特拉斯（ATLAS）探測器記錄的碰撞中產生了大量頂夸克對和反夸克對，為最高可達能量下的粒子碰撞理論模型提供了一個豐富實驗場地。測量值和預測值之間的任何偏差，都可能指向該理論的缺陷——或者是一些全新事物的初步跡象。ATLAS合作發布了一項新的精確測量方法，用於測量大型強子對撞機產生頂夸克對的總速率，或者說是「橫截面」。

測量使用一個頂夸克衰變為電子（e），中微子和b夸克事件，而另一個衰變為μ子（μ），中微子和b夸克。。這在探測器中創造了一個引人注目的特徵，使得物理學家能夠在幾乎沒有背景的情況下，收集到一個非常乾淨的事件樣本。儘管僅占頂夸克對衰變的2％，但ATLAS物理學家在13 TeV的大型強子對撞機運行2期間，檢查收集了超過230000個eμ事件。新結果對頂夸克對截面的測量值為826±20，即不確定度僅為2.4%。這與最先進的理論預測完全吻合，並與之前使用7和8 TeV數據的精確ATLAS測量相結合。

ATLAS對頂夸克對截面的精確測量也被用來確定幾個參數（包括頂夸克質量為mt = 173.1±2.1 GeV）並約束「部分分布函數」，這些「部分分布函數」根據質子組成夸克和膠子來表徵質子的內部結構。產生輕子的能量和角度分布(即它們的「運動學」)也得到了精確測量。這些數據與各種「事件生成器」程序的預測結果進行了比較，這些「事件生成器」程序用於在大型強子對撞機上模擬頂夸克事件。阿特拉斯的物理學家指出了幾個差異，指出需要更精確的理論計算。

更好地描述觀測到的輕子動量分布，另一個新ATLAS結果對頂夸克本身的運動學進行了更深入研究。在ATLAS中，首次將頂夸克對產生率同時測量為兩個運動變數的函數(二維分布)。為了實現這一目標，物理學家選擇了頂夸克對事件，其中一個頂夸克衰變為輕子、中微子和b夸克，而另一個頂夸克衰變為b夸克和夸克反夸克對。對這種最終狀態的研究，被稱為「單輕子」通道，使ATLAS團隊能夠更精確地重建頂夸克對的運動學。包括在產生相對於碰撞軸具有極高橫向動量「增強」頂夸克的情況下。

這些都是新物理研究的關鍵興趣，因為巨大的外來粒子可以衰變成兩個高度增強的夸克。物理學家將測量到的分布與最新理論計算進行了比較，並在高動量狀態下改進了生產率估計。結果表明，理論計算預測非常高動量的頂夸克比觀測到的要多。這證實並改進了ATLAS和CMS實驗之前發表的測量結果。此外，由於二維分布的形狀，頂夸克對產生率作為不變質量和頂夸克橫向動量的函數，可以用於將來測量頂夸克質量。綜上所述，這兩個新結果提供了豐富的數據，提高了我們對頂夸克對產生的理解，並進一步確定這個重粒子的性質。

博科園｜研究/來自：ATLAS Experiment

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