Wissenschaftler von Fermilab haben Partikelkollisionen beobachtet, die einzelne Top-Quarks erzeugen, ein 1: 20-Milliarden-Fund. Diese Wechselwirkung führt zur Bildung von Paaren von Top-Quarks. Die Produktion von Single-Top-Quarks beinhaltet die schwache Kernkraft und ist experimentell schwerer zu identifizieren. Diese Beobachtung erfolgte fast 14 Jahre vor dem Tag der Entdeckung des Top-Quarks im Jahr 1995.
Fermilabs Tevatron in der Nähe von Chicago, Illinois, ist derzeit der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. Die Entdeckung wurde von Wissenschaftlern gemacht, die gemeinsam an Kooperationen arbeiteten. Wissenschaftler sagen, dass das Finden einzelner Top-Quarks für die laufende Suche nach dem Higgs-Teilchen von Bedeutung ist.
"Die Beobachtung der Single-Top-Quark-Produktion ist ein wichtiger Meilenstein für das Tevatron-Programm", sagte Dr. Dennis Kovar, stellvertretender Direktor des Office of Science für Hochenergiephysik am US-Energieministerium. "Darüber hinaus ist die hochsensible und erfolgreiche Analyse ein wichtiger Schritt bei der Suche nach den Higgs."
Die Suche nach einer Single-Top-Produktion macht das Auffinden einer Nadel im Heuhaufen einfach. Nur eine von 20 Milliarden Proton-Antiproton-Kollisionen erzeugt einen einzelnen Top-Quark. Schlimmer noch, das Signal dieser seltenen Ereignisse wird leicht durch andere „Hintergrund“ -Prozesse nachgeahmt, die mit viel höheren Raten auftreten.
Die Entdeckung der Single-Top-Quark-Produktion stellt ähnliche Herausforderungen wie die Higgs-Boson-Suche, da ein extrem kleines Signal aus einem sehr großen Hintergrund extrahiert werden muss. Für die Higgs-Bosonensuche werden jetzt fortschrittliche Analysetechniken verwendet, die für die Single-Top-Entdeckung entwickelt wurden. Darüber hinaus haben das Single-Top- und das Higgs-Signal gemeinsame Hintergründe, und das Single-Top ist selbst ein Hintergrund für das Higgs-Teilchen.
Um die Single-Top-Entdeckung zu machen, haben die Physiker der CDF- und DZero-Kollaborationen jahrelang unabhängig voneinander die Ergebnisse der Proton-Antiproton-Kollisionen gekämmt, die in ihren Experimenten aufgezeichnet wurden.
CDF ist ein internationales Experiment von 635 Physikern aus 63 Institutionen in 15 Ländern. DZero ist ein internationales Experiment, das von 600 Physikern aus 90 Institutionen in 18 Ländern durchgeführt wurde.
Jedes Team identifizierte mehrere tausend Kollisionsereignisse, die so aussahen, wie Experimentatoren das Auftreten einzelner Top-Ereignisse erwarten. Ausgefeilte statistische Analysen und detaillierte Hintergrundmodelle zeigten, dass einige hundert Kollisionsereignisse die Realität hervorbrachten. Am 4. März übermittelten die beiden Teams ihre unabhängigen Ergebnisse an Physical Review Letters.
Die beiden Kooperationen zuvor hatten vorläufige Ergebnisse bei der Suche nach dem Single Top gemeldet. Seitdem haben Experimentatoren die Menge der analysierten Daten mehr als verdoppelt und die Auswahl- und Analysetechniken geschärft, um die Entdeckung zu ermöglichen. Für jedes Experiment beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass Hintergrundereignisse das Signal gefälscht haben, nur noch eine von fast vier Millionen, sodass beide Kollaborationen eine echte Entdeckung beanspruchen können, die den Weg für weitere Entdeckungen ebnet.
"Ich bin begeistert, dass CDF und DZero dieses Ziel erreicht haben", sagte Pier Oddone, Direktor von Fermilab. "Die beiden Kooperationen haben in den letzten fünfzehn Jahren nach diesem seltenen Prozess gesucht, beginnend vor der Entdeckung des Top-Quarks im Jahr 1995. Eine genauere Untersuchung dieser subatomaren Prozesse könnte ein Fenster zu physikalischen Phänomenen jenseits des Standardmodells öffnen."
Quelle: Fermilab
