Fysikere måler variationen af ​​topkvarkmassen for første gang

For første gang, CMS-fysikere har undersøgt en effekt kaldet "løben" af den øverste kvarkmasse, en fundamental kvanteeffekt forudsagt af standardmodellen.

Masse er et af de mest komplekse begreber i fundamental fysik, som gennemgik en lang historie med konceptuelle udviklinger. Masse blev først forstået i klassisk mekanik som et mål for inerti og blev senere fortolket i den særlige relativitetsteori som en form for energi. Masse har en lignende betydning i moderne kvantefeltteorier, der beskriver den subatomære verden. Standardmodellen for partikelfysik er sådan en kvantefeltteori, og den kan beskrive samspillet mellem alle kendte fundamentale partikler ved energierne fra Large Hadron Collider.

Kvantekromodynamik er den del af standardmodellen, der beskriver vekselvirkningerne mellem grundlæggende bestanddele af nukleart stof:kvarker og gluoner. Styrken af ​​interaktionen mellem disse partikler afhænger af en fundamental parameter kaldet den stærke koblingskonstant. Ifølge Quantum Chromodynamik, den stærke koblingskonstant falder hurtigt ved højere energiskalaer. Denne effekt kaldes asymptotisk frihed, og skalaudviklingen omtales som "driften af ​​koblingskonstanten." Det samme gælder også for kvarkernes masser, som i sig selv kan forstås som grundlæggende koblinger, for eksempel, i forbindelse med samspillet med Higgs-feltet. I kvantekromodynamik, driften af ​​den stærke koblingskonstant og af kvarkmasserne kan forudsiges, og disse forudsigelser kan testes eksperimentelt.

Den eksperimentelle verifikation af den løbende masse er en væsentlig test af gyldigheden af ​​kvantekromodynamikken. Ved energierne undersøgt af Large Hadron Collider, virkningerne af fysik ud over standardmodellen kunne føre til ændringer af massens kørsel. Derfor, en måling af denne effekt er også en søgen efter ukendt fysik. I løbet af de sidste årtier, driften af ​​den stærke koblingskonstant er blevet eksperimentelt verificeret for en lang række skalaer. Også, der blev fundet beviser for, at masserne af charme- og skønhedskvarkerne kører.

Med en ny måling, CMS Collaboration undersøger for første gang kørsel af massen af ​​den tungeste af kvarkerne:topkvarken. Produktionshastigheden for topkvarkpar (en mængde, der afhænger af topkvarkmassen) blev målt ved forskellige energiskalaer. Fra denne måling, topkvarkmassen ekstraheres ved disse energiskalaer ved hjælp af teoriforudsigelser, der forudsiger den hastighed, hvormed topkvark-antikvark-par produceres.

Eksperimentelt, interessante top-kvark-par-kollisioner udvælges ved at søge efter de specifikke henfaldsprodukter fra et top-kvark-antikvark-par. I langt de fleste tilfælde, topkvarker forfalder til en energisk jet og en W boson, som igen kan henfalde til en lepton og en neutrino. Jetfly og leptoner kan identificeres og måles med høj præcision af CMS-detektoren, mens neutrinoer undslipper uopdaget og afslører sig selv som manglende energi. En kollision, der sandsynligvis er produktionen af ​​et top-kvark-antikvark-par, som det ses i CMS-detektoren, er vist i figur 1. En sådan kollision forventes at indeholde en elektron, en myon, to energiske jetfly, og en stor mængde manglende energi.

Den målte kørsel af den øverste kvarkmasse er vist i figur 2. Markørerne svarer til de målte punkter, mens den røde linje repræsenterer den teoretiske forudsigelse ifølge Quantum Chromodynamik. Resultatet giver den første indikation af gyldigheden af ​​den grundlæggende kvanteeffekt af kørsel af den øverste kvarkmasse og åbner et nyt vindue for at teste vores forståelse af den stærke interaktion. Mens der vil blive indsamlet meget mere data i de fremtidige LHC-kørsler, der starter med Run 3 i 2021, dette særlige CMS-resultat er for det meste følsomt over for usikkerheder, der kommer fra den teoretiske viden om topkvarken i kvantekromodynamik. At se den øverste kvarkmasse køre med endnu højere præcision og måske afsløre tegn på ny fysik, teoriudvikling og eksperimentel indsats vil begge være nødvendige. I mellemtiden, se topkvarken løbe!