ATLAS ziet superzeldzame viertallen top-quarks

28 May 2020

Het ATLAS-experiment heeft in botsingen van protonen in de Large Hadron Collider (LHC) op CERN aanwijzingen gevonden voor processen waarbij vier top-quarks tegelijk ontstaan. Dat is het meest massieve botsingsproduct dat ooit in de versneller is waargenomen.

En mogelijk zijn daarin aanwijzingen voor nog onbekende deeltjes te vinden, zegt Nikhef-onderzoeker Clara Nellist van de Radboud Universiteit in Nijmegen. ‘Statistisch spreken we van een eerste waarneming, maar we moeten meer metingen doen om te weten of wat we zien geen toevallige uitschieter is.’

Botsing in de ATLAS-detector waarin vier top-quarks tegelijk ontstaan.

Clara Nellist leidde bij ATLAS een deel van de analyses, waarvan de resultaten deze week bekend werden gemaakt. Het ontstaan van vier topquarks tegelijk bij een proton-protonbotsing is mogelijk volgens het Standaardmodel van de deeltjesfysica, maar extreem zeldzaam. Ongeveer eens in de 70 duizend topquark-waarnemingen gebeurt zoiets.

En zulke gebeurtenissen zijn zeer moeilijk te herkennen in de spoeiers (zogeheten jets) van botsingsproducten in de detectoren. De zware top-quarks vervallen naar allerlei mogelijke nieuwe lichtere deeltjes, die echter ook weer uit heel andere deeltjesprocessen kunnen voortkomen. Om de events met vier top-quarks te zien is extreem lastig, en gebeurt deels met hulp van kunstmatige intelligentie.

In de huidige metingen is alleen gezocht naar relatief veelvoorkomende producten. Daardoor is maar ongeveer 12 procent van alle mogelijke vervallen met vier top-quarks bekeken. Niettemin begint ATLAS het zeldzame proces in beeld te krijgen, meldde ook CERN deze week.

Daarbij, zegt Nellist, lijkt er zelfs sprake te zijn van een overproductie met een factor van ruim twee van gebeurtenissen met vier top-quarks vergeleken met de verwachtingen uit het Standaardmodel. Dat zou kunnen wijzen op nog onbekende deeltjesprocessen die ook op top-kwartetten uitlopen.

Dat is vooral interessant omdat de top-kwartetten de zwaarste deeltjestoestand is die ooit met protonbotsingen is gemaakt. Het top-quark is een van de bouwstenen van het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Het quark is superzwaar, met een massa die ongeveer een goudatoom evenaart, en dus ook extreem instabiel.

Top-quarks zijn de zwaarst bekende quarks, en ze ontlenen die massiviteit aan hun koppeling met het higgsdeeltje. Een viertal top-quarks is het zwaarste object dat interactie heeft met higgsdeeltjes dat fysici kennen. Dat biedt mogelijk nieuwe tests voor het Standaardmodel, op eventuele onbekend deeltjes of processen.

Clara Nellist, Nikhef en Radboud Universiteit Nijmegen

Om de overproductie van superzeldzame vierdubbele top-quark kwartetten echt te bewijzen is veel meer meetwerk nodig, zegt Nellist. Ze hoopt de extra data te kunnen verzamelen als de LHC-versneller weer in bedrijf komt na de huidige reparatiepauze sinds 2019. De herstart was gepland voor 2021, maar is door de coronacrisis nog onzeker.

Eerder vond het CMS-experiment op CERN ook aanwijzingen voor het bestaan van vierdubbel top-quark kwartetten. Die verdwenen destijds echter weer in de ruis toen er meer meetgegevens werden gebruikt en waren vermoedelijk een toevallige uitschieter in de metingen.

Volgens statistische normen is de huidige analyse van ATLAS wel steviger dan de bestaande CMS-resultaten. ‘Maar alleen meer data kunnen echt uitsluitsel geven’, zegt Nellist.