在頂夸克被發現25年後，歐洲核子研究中心ATLAS實驗的物理學家，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執行（2015-2018年）期間收集的大量資料，使物理學家能夠非常詳細地研究頂夸克的罕見產生過程，包括它與其他重基本粒子的產生。在發表在《arXiv》的新研究中，ATLAS合作報告了使用完整的RUN-2資料集觀察到與Z玻色子(TZq)相關的單個頂夸克。

從而證實了ATLAS和CMS使用較小資料集的早期結果，為了獲得這個新的結果，物理學家們研究了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）於質子束平面上的動量不平衡，以及來自誇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個具有這種特徵的候選事件(即訊號區)，並且儘管有嚴格的選擇標準，但預計只有大約120個候選事件來自Z玻色子生產過程。

（上圖所示）其中一個訊號區域的神經網路輸出(ONN)分佈，資料以黑色顯示，模擬訊號以洋紅色顯示，背景以其他顏色顯示，ON譜的較高部分由訊號事件主導。圖片：ATLAS Collaboration/CERN

為了最好地將訊號從背景過程中分離出來，ATLAS物理學家訓練了一個人工神經網路來使用精確的模擬資料來識別Z玻色子事件。神經網路為每個事件提供了一個分數(Onn)，表示它看起來有多像訊號過程。為了檢查提供給神經網路的模擬是否很好地描述了真實資料，物理學家觀察了由後臺過程主導具有相似特徵(控制區)的事件，還檢查了600個選定訊號區事件的各種運動學分佈。

研究人員評估了訊號區域和對照區域的神經網路得分，以便可以使用真實資料限制背景水平。提取Z玻色子訊號，並計算在給定資料樣本(即橫截面)中產生這種事件的速率。提取截面的不確定度為14%。這比之前的ATLAS結果精確度高出兩倍多，後者基於的資料幾乎少了四倍(2015年和2016年)。發現截面與標準模型的預測一致，證實了即使是標準模型中最重的粒子也仍然表現為點狀基本粒子。

（上圖所示）對於神經網路輸出(ONN)>0.4的事件，重建Z玻色子橫向動量的分佈，資料以黑色顯示，模擬訊號以洋紅色顯示，背景以其他顏色顯示。圖片：ATLAS Collaboration/CERN

此外，通過選擇神經網路識別為很可能是Z玻色子(onn>0.4)的事件，ATLAS物理學家可以檢查標準模型計算是否很好地描述了運動學分佈。隨著對Z玻色子生產過程的觀察現在得到證實，ATLAS的研究人員可以預計它的研究將更加詳細。作為運動學變數函式截面測量將能讓物理學家仔細探測頂夸克與其他粒子的相互作用。會不會有更多資料揭開一些意想不到的面紗？期待看到大自然在頂夸克世界裡隱藏著什麼。

參考期刊《arXiv》

Cite: arXiv:2002.07546