比上夸克重100萬億倍！發(fā)現(xiàn)頂夸克25年后，現(xiàn)在又有新發(fā)現(xiàn)了！

在頂夸克被發(fā)現(xiàn)25年后，歐洲核子研究中心ATLAS實驗的物理學(xué)家，對已知最重基本粒子頂夸克又有了新見解（比上夸克重100萬億倍）。在大型強子對撞機第二次運行（2015-2018年）期間收集的大量數(shù)據(jù)，使物理學(xué)家能夠非常詳細(xì)地研究頂夸克的罕見產(chǎn)生過程，包括它與其他重基本粒子的產(chǎn)生。在發(fā)表在《arXiv》的新研究中，ATLAS合作報告了使用完整的RUN-2數(shù)據(jù)集觀察到與Z玻色子(TZq)相關(guān)的單個頂夸克。

從而證實了ATLAS和CMS使用較小數(shù)據(jù)集的早期結(jié)果，為了獲得這個新的結(jié)果，物理學(xué)家們研究了ATLAS探測器記錄超過200億個碰撞事件，尋找具有三個孤立的輕子（電子或μ子）的事件，垂直（橫向）于質(zhì)子束平面上的動量不平衡，以及來自夸克碎裂的兩到三個強子噴射（其中一個噴射來自底夸克）。僅識別了大約600個具有這種特征的候選事件(即信號區(qū))，并且盡管有嚴(yán)格的選擇標(biāo)準(zhǔn)，但預(yù)計只有大約120個候選事件來自Z玻色子生產(chǎn)過程。

（上圖所示）其中一個信號區(qū)域的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出(ONN)分布，數(shù)據(jù)以黑色顯示，模擬信號以洋紅色顯示，背景以其他顏色顯示，ON譜的較高部分由信號事件主導(dǎo)。圖片：ATLAS Collaboration/CERN

為了最好地將信號從背景過程中分離出來，ATLAS物理學(xué)家訓(xùn)練了一個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來使用精確的模擬數(shù)據(jù)來識別Z玻色子事件。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為每個事件提供了一個分?jǐn)?shù)(Onn)，表示它看起來有多像信號過程。為了檢查提供給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬是否很好地描述了真實數(shù)據(jù)，物理學(xué)家觀察了由后臺過程主導(dǎo)具有相似特征(控制區(qū))的事件，還檢查了600個選定信號區(qū)事件的各種運動學(xué)分布。

研究人員評估了信號區(qū)域和對照區(qū)域的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得分，以便可以使用真實數(shù)據(jù)限制背景水平。提取Z玻色子信號，并計算在給定數(shù)據(jù)樣本(即橫截面)中產(chǎn)生這種事件的速率。提取截面的不確定度為14%。這比之前的ATLAS結(jié)果精確度高出兩倍多，后者基于的數(shù)據(jù)幾乎少了四倍(2015年和2016年)。發(fā)現(xiàn)截面與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測一致，證實了即使是標(biāo)準(zhǔn)模型中最重的粒子也仍然表現(xiàn)為點狀基本粒子。

（上圖所示）對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出(ONN)>0.4的事件，重建Z玻色子橫向動量的分布，數(shù)據(jù)以黑色顯示，模擬信號以洋紅色顯示，背景以其他顏色顯示。圖片：ATLAS Collaboration/CERN

此外，通過選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別為很可能是Z玻色子(onn>0.4)的事件，ATLAS物理學(xué)家可以檢查標(biāo)準(zhǔn)模型計算是否很好地描述了運動學(xué)分布。隨著對Z玻色子生產(chǎn)過程的觀察現(xiàn)在得到證實，ATLAS的研究人員可以預(yù)計它的研究將更加詳細(xì)。作為運動學(xué)變量函數(shù)截面測量將能讓物理學(xué)家仔細(xì)探測頂夸克與其他粒子的相互作用。會不會有更多數(shù)據(jù)揭開一些意想不到的面紗？期待看到大自然在頂夸克世界里隱藏著什么。

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博科園｜研究/來自：ATLAS Experiment

參考期刊《arXiv》

Cite: arXiv:2002.07546

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