ATLAS和CMS观察同时产生四个顶夸克

今天，在Moriond会议上，ATLAS和CMS的合作都展示了对一个非常罕见的过程的观察：同时产生四个顶夸克。它们是在大型强子对撞机(LHC)的第2轮运行期间使用碰撞数据观察到的。

两个实验的结果都通过了所需的五西格玛统计显着性来算作观察——ATLAS的观察结果为6.1西格玛，高于4.3西格玛的预期显着性，而CMS的观察结果为5.5西格玛，高于预期的4.9西格玛——使它们成为第一次观察这个过程。

顶夸克是标准模型中最重的粒子，这意味着它是与希格斯玻色子联系最紧密的粒子。这使得顶夸克非常适合寻找标准模型之外的物理迹象。

有多种方法可以产生顶夸克。最常见的是，它们以夸克和反夸克对的形式出现，偶尔也会单独出现。根据标准模型理论，可以同时产生四个顶夸克——由两个顶夸克-反夸克对组成。

然而，生产率预计比顶夸克-反夸克对低7万倍，这使得四顶夸克的生产难以捉摸。此前，ATLAS在2020年和2021年以及CMS在2022年都发现了这种现象的证据。但是，直到今天，还从未进行过观测。

除了罕见之外，四顶夸克的产生也是出了名的难以检测。当物理学家寻找一个特定事件时，他们会寻找它的“特征”：衰变的最终粒子的特性。这些为他们正在寻找的短暂事件提供了线索。每个顶夸克都会衰变成一个W玻色子和一个底夸克。

然后W玻色子可以衰变为带电的轻子和中微子或夸克-反夸克对。这意味着四顶夸克事件的特征可以变化很大，包含从零到四个带电轻子和多达12个由夸克产生的射流。这使得寻找四顶夸克产生式的特征具有挑战性。

为了帮助搜索这些事件，ATLAS和CMS都使用了新颖的机器学习技术来构建选择四顶夸克候选事件的算法。这些分析使用具有多个电子、μ子和(底夸克标记的)射流的壮观的四顶夸克特征，将具有四个顶夸克的事件与背景分离，这是由于其他标准模型过程具有更高的生产率。ATLAS和CMS都搜索了包含两个或更多轻子的事件签名。

对四顶夸克产生的首次直接观察是进一步了解这种迷人粒子的激动人心的新步骤。两个实验都期待在LHCRun3期间继续研究这一现象。

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