...課題組ATLAS實驗亮點成果發布——頂夸克四重奏:大型強子對撞機...

大型強子對撞機實驗的ATLAS國際合作組近期發布了最新亮點成果：首次發現了質子對撞產生四個頂夸克物理過程(tttt產生態)的實驗證據，這是迄今為止人們在大型強子對撞機上能找到的最重（能量最高）的粒子末態。超重的粒子末態使得該過程對新物理的靈敏度很高，是尋找新粒子產生機制的理想環境。任何未知物理過程對四頂夸克產生態的貢獻都將直接影響觀測的結果，因此通過對四頂夸克產生態的測量將新物理的尋找起到重要的作用，同時也會大大增強對標準模型理的深入理解。

頂夸克是標準模型中最重的基本粒子（質量約為173GeV），和單個金原子的質量相仿（它們的質量形成機制並不相同，前者為湯川-希格斯耦合作用而後者為核子間的強相互作用）。四頂夸克產生態也因此成為大型強子對撞機上產生的最重的粒子末態，大約為700GeV。四頂夸克產生過程是個非常罕見的物理反應過程，大約每產生7萬對頂夸克對才能產生1個四頂夸克信號，因此對該過程的尋找和測量是一項難度極高的挑戰。頂夸克衰變時會產生一個W波色子和一個底夸克噴注，而W波色子又會衰變為一對輕子和中微子，或者一對噴注。因此尋找四頂夸克信號需要在龐大的背景事件（圖一）中對若干輕子和噴注構成的細微信號進行仔細的尋找。ATLAS研究團隊發現針對含有兩個或以上的輕子（其中至少有兩個輕子的電荷相同）的末態對尋找信號的幫助最大，在其中四夸克信號與背景的辨識度最高。儘管如此，為了把信號和背景區分開，使用一系列複雜的數據分析方法必不可少。研究團隊使用了機器學習（提升決策樹多變量分析法）的方法對信號和背景做了有效的區分（圖二）。研究團隊在分析過程中需要對每一項背景來源都做出詳盡的分析和模擬，並和理論預測或者獨立的數據測量結果相對比。這其中最具挑戰性的背景是來自一對頂夸克對和一個W粒子(ttW末態)以及偽輕子信號的背景。

研究團隊對大型強子對撞機2015-2018年共139fb-1的質子對撞數據進行了分析，對撞能量為13TeV。四頂夸克產生過程反應截面的測量結果為24+7–6 fb，統計顯著性為4.3倍的標準偏差，與標註模型的預言值有1.7倍的標準方差（基本相符）。

圖一：高能粒子對撞事件的可視化演示（來源： ATLAS國際合作組/歐洲核子中心）

圖二:（左圖） 四夸克信號和背景的多變量判別值分布。實驗數據為黑點，信號和背景預測分布標記為不同顏色的區域。數據值和總預測值的比值在圖的下方。（右圖）在信號區（多變量判別值>0），實驗數據和信號與背景預測隨噴注數目分布的對比。（來源： ATLAS國際合作組）

該項測量的統計顯著性已經超過了3倍標準偏差，這是人們首次在實驗上發現四頂誇產生態的確鑿證據，具有重要的物理意義。通過積累更多的實驗數據以及對複雜分析方法的不斷改進，將能夠進一步提高測量精度，更加深入研究這一非常具有挑戰性的罕見物理反應過程。

上海交通大學物理與天文學院粒子與核物理研究所的四頂夸克研究團隊（主要成員為李亮教授、李興國博士後（已出站）以及胡舒暘博士生）對該項分析做出了重要貢獻。交大研究團隊的該項工作得到了國家自然科學基金委的資助。

該項結果已經作為亮點成果在國際對撞機物理大會（LHCP2020）上在線發表，並將於近期發表於Phys. Rev. D學術期刊上。

相關連結：

1. ATLAS國際合作組發現四夸克產生態的實驗證據

2. 國際對撞機物理大會最新亮點