ATLAS和CMS觀察同時(shí)產(chǎn)生四個(gè)頂夸克

今天，在Moriond會(huì)議上，ATLAS和CMS的合作都展示了對(duì)一個(gè)非常罕見的過程的觀察：同時(shí)產(chǎn)生四個(gè)頂夸克。它們是在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)的第2輪運(yùn)行期間使用碰撞數(shù)據(jù)觀察到的。

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都通過了所需的五西格瑪統(tǒng)計(jì)顯著性來算作觀察——ATLAS的觀察結(jié)果為6.1西格瑪，高于4.3西格瑪?shù)念A(yù)期顯著性，而CMS的觀察結(jié)果為5.5西格瑪，高于預(yù)期的4.9西格瑪——使它們成為第一次觀察這個(gè)過程。

頂夸克是標(biāo)準(zhǔn)模型中最重的粒子，這意味著它是與希格斯玻色子聯(lián)系最緊密的粒子。這使得頂夸克非常適合尋找標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理跡象。

有多種方法可以產(chǎn)生頂夸克。最常見的是，它們以夸克和反夸克對(duì)的形式出現(xiàn)，偶爾也會(huì)單獨(dú)出現(xiàn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型理論，可以同時(shí)產(chǎn)生四個(gè)頂夸克——由兩個(gè)頂夸克-反夸克對(duì)組成。

然而，生產(chǎn)率預(yù)計(jì)比頂夸克-反夸克對(duì)低7萬倍，這使得四頂夸克的生產(chǎn)難以捉摸。此前，ATLAS在2020年和2021年以及CMS在2022年都發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象的證據(jù)。但是，直到今天，還從未進(jìn)行過觀測(cè)。

除了罕見之外，四頂夸克的產(chǎn)生也是出了名的難以檢測(cè)。當(dāng)物理學(xué)家尋找一個(gè)特定事件時(shí)，他們會(huì)尋找它的“特征”：衰變的最終粒子的特性。這些為他們正在尋找的短暫事件提供了線索。每個(gè)頂夸克都會(huì)衰變成一個(gè)W玻色子和一個(gè)底夸克。

然后W玻色子可以衰變?yōu)閹щ姷妮p子和中微子或夸克-反夸克對(duì)。這意味著四頂夸克事件的特征可以變化很大，包含從零到四個(gè)帶電輕子和多達(dá)12個(gè)由夸克產(chǎn)生的射流。這使得尋找四頂夸克產(chǎn)生式的特征具有挑戰(zhàn)性。

為了幫助搜索這些事件，ATLAS和CMS都使用了新穎的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來構(gòu)建選擇四頂夸克候選事件的算法。這些分析使用具有多個(gè)電子、μ子和(底夸克標(biāo)記的)射流的壯觀的四頂夸克特征，將具有四個(gè)頂夸克的事件與背景分離，這是由于其他標(biāo)準(zhǔn)模型過程具有更高的生產(chǎn)率。ATLAS和CMS都搜索了包含兩個(gè)或更多輕子的事件簽名。

對(duì)四頂夸克產(chǎn)生的首次直接觀察是進(jìn)一步了解這種迷人粒子的激動(dòng)人心的新步驟。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都期待在LHCRun3期間繼續(xù)研究這一現(xiàn)象。

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