【科研进展】最重末态粒子：在对撞机上首次探测到四顶夸克产生态

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在刚刚结束的第57届Rencontres de Moriond电弱相互作用和统一理论大会上，大型强子对撞机上的ATLAS实验发布了一项激动人心的研究成果：人们首次发现了质子对撞产生四个顶夸克的超重末态产生过程。顶夸克是标准模型中最重的基本粒子，质量约为173GeV （1GeV=十亿电子伏特）。四顶夸克产生态是大型强子对撞机上产生的最重粒子末态，质量约为700GeV。通过对超重粒子末态四顶夸克产生态进行首次观测，该项研究有力地扩展了基础科研的能量前沿，对标准模型的理解更加深入和准确。同时，超重的粒子末态对于新物理的灵敏度很高，能够大幅提高对新粒子和新作用机制的探寻边界。首次在实验上观测到四顶夸克产生态科学意义重大，是粒子物理标准模型的又一座丰碑，也是迈向新物理的起点。

图一 四顶夸克产生态事件可视化演示。该事件中，有3个顶夸克分别衰变成了2个缪子（红色线）和1个电子（蓝色线），剩下的1个顶夸克衰变成了粒子喷注。圆锥代表着夸克产生的不同类型的粒子喷注，蓝色圆锥表示顶夸克的衰变产物底夸克产生的喷注。方块代表探测器上的能量沉积单元，在电子量能器、强子量能器和缪子探测器上均有能量沉积。（来源，ATLAS国际合作组）。

四顶夸克产生过程非常罕见，大约每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在实验技术和方法上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。寻找四顶夸克信号需要在庞大的背景事件中对若干轻子和喷注构成的微小信号进行细致入微的寻找（图一）。

ATLAS研究团队对于大型强子对撞机在13TeV的能量下共计140fb^-1的质子对撞数据进行了数据分析，特别是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。在2020年，ATLAS国际合作组已经发现了四顶夸克过程的存在迹象，其统计显著性为4.3倍的标准偏差。相较于2020年的研究结果，本次研究做了较大的改进。为了提高信号和背景的区分度，研究团队采用了图神经网络（GNN）等多变量分析方法（图二），并使用更为优化的轻子重建算法。在分析过程中，研究团队还对每项背景来源进行了详尽的分析和模拟，特别是针对来自一对顶夸克对和W波色子产生伪轻子这一间较有挑战性的背景，研究团队采用了数据驱动的方法对其进行了更为准确的估计。除此以外，研究团队对三顶夸克稀有末态也进行了更为精确的测算和模拟。

图二 模拟信号、背景预测值以及实验数据的图神经网络判别值分布图。实验数据为黑点，信号和背景预测值使用不同颜色的区域来标记。（来源：ATLAS国际合作组）。

最终的测量结果：四顶夸克产生过程的反应截面为22.5^+6.6_–5.5 fb，统计显著性为6.1倍标准差。该结果与标准模型的预言值基本一致，这意味着人们在实验中首次观测到了四顶夸克产生态。在ATLAS国际合作组公布这一重大成果的同时，CMS国际合作组也宣布首次观测到了四顶夸克产生态，这使得人们对该项成果有了更充分的信心。ATLAS研究团队通过对该末态的测量，给出了三顶夸克过程产生截面的范围，同时对有效场论等新物理模型进行了大范围的寻找，对各种新物理模型中与四顶夸克截面敏感的变量给出了最新和最强的限制。

上海交通大学物理与天文学院粒子与核物理研究所的四顶夸克研究团队（成员为陈翔博士生、Mohammed Faraj博士后（已出站）和李亮教授）作为该分析的主要团队之一对事例选择、优化，背景估计，多变量分析和新物理寻找部分都做出了重要贡献。其中陈翔博士生作为有效场论新物理模型分析的第一完成人和多变量分析的三个完成人之一圆满完成了相关的物理分析。该项结果已经作为亮点成果在第57届Rencontres de Moriond会议上发布，并将于近期发表于欧洲顶级学术期刊European Physical Journal C上。交大研究团队的该项工作得到了国家自然科学基金委的资助。

相关链接：

1.    ATLAS国际合作组宣布发现四顶夸克产生态

https://atlas.cern/Updates/Physics-Briefing/observation-4tops

2.    CMS 国际合作组宣布发现四顶夸克产生态

https://cms.cern/news/cms-observes-four-top-quark-production

3.    第57届Rencontres de Moriond会议亮点成果

https://indico.in2p3.fr/event/29681/contributions/122567/

4.    “在ATLAS探测器上利用多轻子反应道观测到四顶夸克产生态”[预印本]

https://arxiv.org/abs/2303.15061

来源：粒子与核物理研究所

图文编辑：胡泽心

责任编辑：叶丹、朱敏

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