Учасники експерименту ATLAS на Великому адронному колайдері виміряли поляризацію топ-кварків і антикварків, народжених по одному в процесі обміну W-бозона між двома іншими кварками. Вчені використовували той факт, що розподілу лептонів у розпаді топ-кварка залежать від напрямку спина вихідної частинки, а значить по них можна дізнатися і її поляризацію. Крім того, фізики посилили існуючі обмеження на коефіцієнти Вільсона для вивчених процесів народження топ-кварків і антикварків, значення яких чутливі до Нової фізики. Згідно з результатами експерименту, опублікованими на сайті колаборації, вимірювання збіглися з передбаченнями Стандартної моделі.
Топ-кварк (він же t-кварк) - найважчий з шести відкритих кварків, завдяки чому він володіє низкою унікальних для кварків властивостей. Наприклад, за рахунок вкрай малого часу життя це єдиний кварк, який не встигає адронізуватися (обзавестися одним або кількома кварками іншого кольору і увійти до складу адрона) до свого розпаду. Крім того, за рахунок своєї великої маси він особливо сильно взаємодіє з полем Хіггса. Все це привертає до топ-кварку увагу дослідників, і Великий адронний колайдер вчені використовують як машину з отримання та вивчення властивостей цієї частинки. Зокрема, фізикам цікаво вивчити поляризацію топ-кварка (і топ-антикварка) в різних процесах, яка визначає зв'язок напрямку спина частинки і вектора її руху.
Найчастіше топ-кварк у протон-протонних зіткненнях на БАК народжується у складі пари топ-кварк і топ-антикварк. Для таких подій експеримент ATLAS раніше вже виміряв поляризацію народжених кварків і отримав очікуване близьке до нуля значення (в таких парних процесах кварки залишаються практично неполяризованими). Однак топ-кварк може народитися і без однойменного антикварка: найчастіше такий процес проходить по так званому t-каналу у вигляді обміну W-бозона між двома кварками зі зміною їх типу. У цьому випадку напрямок спина топ-кварка визначається в основному напрямком руху парного йому кварку. Проте в остаточну поляризацію вносять вклади та інші процеси в рамках Стандартної моделі, а на її фінальне значення можуть вплинути і ще не відкриті елементарні частинки. Крім того, значення поляризації має бути іншим для антикварків.
Тепер же учасники експерименту ATLAS досвідченим шляхом виміряли поляризацію як топ-кварків, так і топ-антикварків, народжених по одному в процесі взаємодії двох кварків по описаному вище t-каналу. Для цього із загального масиву даних щодо протон-протонних зіткнень при енергії 13 ТЕВ їм потрібно було відібрати події народження рівно одного топ-кварка або антикварка в ході обміну W-бозона між двома іншими кварками. У цьому випадку критерій відбору - наявність у події двох адронних струменів, причому один з них повинен бути характерним для адронізації боттом-кварку, в який розпадається топ-кварк. Крім того, фізикам потрібно було виділити лептонний канал розпаду топ-кварка, розподіл частинок за напрямками в якому залежить від спина самого топ-кварка. Для цього вчені відбирали події, в яких народжувалися рівно один електрон або мюон. Крім усього іншого, геометрія такого розпаду передбачає велику кількість втраченого (невидимого детектором) поперечного імпульсу, що також враховувалося при відборі подій.
У відібраних подіях вчені вимірювали ймовірності вильоту лептонів під певним кутом щодо напрямку руху топ-кварку або антикварку. Оскільки для випадку лептонного розпаду ці ймовірності безпосередньо пов'язані з напрямком спина частинки, що розпадається, фізикам вдалося визначити значення поляризації одиночних топ-кварка і топ-антикварка, народжених по t-каналу. Отримані значення (як і розподілення перерізів народжених лептонів) в межах похибки збіглися з передбаченнями Стандартної моделі. Як і очікувалося, у випадку топ-кварків їх спин і вектор руху виявилися практично сонаправленими, а для антикварку - протинаправленими.
Також для вивчених розпадів дослідники виміряли так звані коефіцієнти Вільсона - численні величини, що визначають внесок екзотичних поправок до Стандартної моделі у вигляді операторів в рамках ефективної теорії поля. Фактично дані коефіцієнти дозволяють чисельно оцінити внесок ще не відкритих частинок або інших ефектів Нової фізики на вимірені в експериментах розподілу і поляризації. Учасникам ATLAS вдалося отримати обмеження на два таких коефіцієнти: CtW и CitW. Для другого коефіцієнта отримані обмеження виявилися найсильнішими на даний момент. Обидва значення в межах похибки виявилися близькими до нуля, а значить фізики за межами Стандартної моделі в спостережуваних явищах вчені не спостерігали.
Топ-кварки на Великому адронному колайдері вивчають не тільки в зіткненнях протонів: раніше ми писали про те, що сліди топ-кварків знайшли і в ядро-ядерних подіях. Крім того, самі топ-кварки допомагають фізикам особливо точно вивчати механізм Хіггса.