Wetenschappers van Fermilab hebben botsingen van deeltjes waargenomen die single top quarks produceren, een vondst van 1 op 20 miljard. Die interactie leidt tot de productie van paren van topquarks. De productie van single top quarks heeft te maken met de zwakke kernkracht en is moeilijker experimenteel te identificeren. Deze waarneming vond plaats bijna 14 jaar tot de dag van de ontdekking van de top-quark in 1995.
Fermilab's Tevatron, gelegen in de buurt van Chicago, Illinois, is momenteel 's werelds krachtigste werkende deeltjesversneller, en de ontdekking werd gedaan door wetenschappers die samen aan samenwerkingsverbanden werkten. Wetenschappers zeggen dat het vinden van single top quarks van belang is voor de voortdurende zoektocht naar het Higgs-deeltje.
"Observatie van de productie van één enkele top-quark is een belangrijke mijlpaal voor het Tevatron-programma", zegt dr. Dennis Kovar, adjunct-directeur van het Office of Science for High Energy Physics van het Amerikaanse Department of Energy. "Bovendien is de zeer gevoelige en succesvolle analyse een belangrijke stap in de zoektocht naar de Higgs."
Zoeken naar single-top productie maakt het gemakkelijk om een naald in een hooiberg te vinden. Slechts één op de 20 miljard proton-antiproton-botsingen produceert een enkele top-quark. Erger nog, het signaal van deze zeldzame gebeurtenissen wordt gemakkelijk nagebootst door andere 'achtergrond'-processen die veel sneller voorkomen.
Het ontdekken van de single top quark-productie biedt uitdagingen die vergelijkbaar zijn met de Higgs-boson-zoektocht in de behoefte om een extreem klein signaal uit een zeer grote achtergrond te halen. Geavanceerde analysetechnieken die zijn ontwikkeld voor de ontdekking van één enkele top worden nu gebruikt voor het Higgs-bosononderzoek. Bovendien hebben de single top en de Higgs-signalen een gemeenschappelijke achtergrond en is de enkele top zelf een achtergrond voor het Higgs-deeltje.
Om de single-top ontdekking te doen, hebben natuurkundigen van de CDF- en DZero-samenwerkingen jarenlang zelfstandig gekamd door de resultaten van proton-antiproton-botsingen die respectievelijk door hun experimenten waren geregistreerd.
CDF is een internationaal experiment van 635 natuurkundigen van 63 instellingen in 15 landen. DZero is een internationaal experiment uitgevoerd door 600 natuurkundigen van 90 instellingen in 18 landen.
Elk team identificeerde enkele duizenden botsingsgebeurtenissen die eruitzagen zoals onderzoekers verwachten dat enkele topgebeurtenissen verschijnen. Geavanceerde statistische analyse en gedetailleerde achtergrondmodellering lieten zien dat een paar honderd botsingsgebeurtenissen het echte werk produceerden. Op 4 maart dienden de twee teams hun onafhankelijke resultaten in bij Physical Review Letters.
De twee eerdere samenwerkingen hadden voorlopige resultaten gemeld bij het zoeken naar de enige top. Sindsdien hebben onderzoekers de hoeveelheid geanalyseerde gegevens meer dan verdubbeld en de selectie- en analysetechnieken aangescherpt, waardoor de ontdekking mogelijk is geworden. Voor elk experiment is de kans dat achtergrondgebeurtenissen het signaal hebben vervalst nu slechts één op bijna vier miljoen, waardoor beide samenwerkingen een bonafide ontdekking kunnen claimen die de weg vrijmaakt voor meer ontdekkingen.
"Ik ben heel blij dat CDF en DZero dit doel hebben bereikt", zegt Fermilab-directeur Pier Oddone. "De twee samenwerkingsverbanden zijn al vijftien jaar op zoek naar dit zeldzame proces, te beginnen vóór de ontdekking van de top-quark in 1995. Een nader onderzoek naar deze subatomaire processen kan een venster openen op natuurkundige fenomenen buiten het standaardmodel."
Bron: Fermilab
