顶夸克四重奏，大型强子对撞机上最重的粒子末态

内容来源：上海交通大学

大型强子对撞机实验的ATLAS国际合作组近期发布了最新亮点成果：首次发现了质子对撞产生四个顶夸克物理过程(tttt产生态)的实验证据，这是迄今为止人们在大型强子对撞机上能找到的最重（能量最高）的粒子末态。超重的粒子末态使得该过程对新物理的灵敏度很高，是寻找新粒子产生机制的理想环境。任何未知物理过程对四顶夸克产生态的贡献都将直接影响观测的结果，因此通过对四顶夸克产生态的测量将新物理的寻找起到重要的作用，同时也会大大增强对标准模型理的深入理解。

顶夸克是标准模型中最重的基本粒子（质量约为173GeV），和单个金原子的质量相仿（它们的质量形成机制并不相同，前者为汤川-希格斯耦合作用而后者为核子间的强相互作用）。四顶夸克产生态也因此成为大型强子对撞机上产生的最重的粒子末态，大约为700GeV。四顶夸克产生过程是个非常罕见的物理反应过程，大约每产生7万对顶夸克对才能产生1个四顶夸克信号，因此对该过程的寻找和测量是一项难度极高的挑战。顶夸克衰变时会产生一个W波色子和一个底夸克喷注，而W波色子又会衰变为一对轻子和中微子，或者一对喷注。因此寻找四顶夸克信号需要在庞大的背景事件（图一）中对若干轻子和喷注构成的细微信号进行仔细的寻找。ATLAS研究团队发现针对含有两个或以上的轻子（其中至少有两个轻子的电荷相同）的末态对寻找信号的帮助最大，在其中四夸克信号与背景的辨识度最高。尽管如此，为了把信号和背景区分开，使用一系列复杂的数据分析方法必不可少。研究团队使用了机器学习（提升决策树多变量分析法）的方法对信号和背景做了有效的区分（图二）。研究团队在分析过程中需要对每一项背景来源都做出详尽的分析和模拟，并和理论预测或者独立的数据测量结果相对比。这其中最具挑战性的背景是来自一对顶夸克对和一个W粒子(ttW末态)以及伪轻子信号的背景。

研究团队对大型强子对撞机2015-2018年共139fb-1的质子对撞数据进行了分析，对撞能量为13TeV。四顶夸克产生过程反应截面的测量结果为24+7–6 fb，统计显著性为4.3倍的标准偏差，与标注模型的预言值有1.7倍的标准方差（基本相符）。

图一：高能粒子对撞事件的可视化演示（来源： ATLAS国际合作组/欧洲核子中心）

图二:（左图） 四夸克信号和背景的多变量判别值分布。实验数据为黑点，信号和背景预测分布标记为不同颜色的区域。数据值和总预测值的比值在图的下方。（右图）在信号区（多变量判别值>0），实验数据和信号与背景预测随喷注数目分布的对比。（来源： ATLAS国际合作组）

该项测量的统计显著性已经超过了3倍标准偏差，这是人们首次在实验上发现四顶夸产生态的确凿证据，具有重要的物理意义。通过积累更多的实验数据以及对复杂分析方法的不断改进，将能够进一步提高测量精度，更加深入研究这一非常具有挑战性的罕见物理反应过程。