Forskare vid Fermilab har observerat partikelkollisioner som producerar enstaka toppkvarkar, en 1 till 20 miljarder hittar. Denna interaktion leder till produktion av par av toppkvarkar. Produktionen av enkla toppkvarkar involverar den svaga kärnkraften och är svårare att identifiera experimentellt. Denna observation inträffade nästan 14 år till dagen för upptäckten av toppkvarken 1995.
Fermilabs Tevatron, beläget nära Chicago, Illinois, är för närvarande världens starkaste drivande partikelaccelerator, och upptäckten gjordes av forskare som arbetade tillsammans för samarbeten. Forskare säger att hitta enstaka toppkvarkar har betydelse för den pågående sökningen efter Higgs-partikeln.
"Observation av den enda toppkvarkproduktionen är en viktig milstolpe för Tevatron-programmet", säger Dr. Dennis Kovar, associerad direktör för Office of Science for High Energy Physics vid U.S. Department of Energy. "Dessutom är den mycket känsliga och framgångsrika analysen ett viktigt steg i sökandet efter Higgs."
Att leta efter en toppproduktion gör det enkelt att hitta en nål i en höstack. Endast en av var 20 miljarder proton-antiproton-kollisioner producerar en enda toppkvark. Ännu värre är att signalen om dessa sällsynta händelser lätt efterliknas av andra "bakgrund" -processer som inträffar i mycket högre hastigheter.
Att upptäcka den enda toppkvarkproduktionen ger utmaningar som liknar Higgs bosons sökning i behovet av att extrahera en extremt liten signal från en mycket stor bakgrund. Avancerade analystekniker som är pionjärer för upptäckten av en enda topp används nu för Higgs bosonsökning. Dessutom har den enda toppen och Higgs-signalerna gemensamma bakgrunder, och den enda toppen är i sig en bakgrund för Higgs-partikeln.
För att göra upptäckten på en topp, fysiker av CDF- och DZero-samarbetet tillbringade år med att kämpa oberoende genom resultaten av proton-antiproton-kollisioner registrerade av deras experiment.
CDF är ett internationellt experiment med 635 fysiker från 63 institutioner i 15 länder. DZero är ett internationellt experiment genomfört av 600 fysiker från 90 institutioner i 18 länder.
Varje team identifierade flera tusen kollisionshändelser som såg ut som experter förväntar sig att topp-händelser skulle dyka upp. Sofistikerad statistisk analys och detaljerad bakgrundsmodellering visade att några hundra kollisionshändelser producerade det riktiga. Den 4 mars lade de två lagen fram sina oberoende resultat till Physical Review Letters.
De två samarbetena tidigare hade rapporterat preliminära resultat på sökandet efter singeltoppen. Sedan dess har experimenterna mer än fördubblat mängden data analyserad och skärpt urvals- och analystekniker, vilket möjliggör upptäckten. För varje experiment är sannolikheten för att bakgrundshändelser har förfalskat signalen nu bara en på nästan fyra miljoner, vilket gör att båda samarbeten kan hävda en god tro upptäckt som banar vägen för fler upptäckter.
"Jag är stolt över att CDF och DZero uppnådde detta mål", säger Fermilab-direktören Pier Oddone. "De två samarbetena har letat efter denna sällsynta process under de senaste femton åren, som började före upptäckten av toppkvarken 1995. Att undersöka dessa subatomära processer mer i detalj kan öppna ett fönster mot fysikfenomen utöver standardmodellen."
Källa: Fermilab
