Bevis for topkvarker ved kollisioner mellem tunge kerner

Resultatet af nyere forskning fra CMS -samarbejdet åbner vejen for på en ny og unik måde at undersøge en ekstrem tilstand af stof, der menes at have eksisteret kort efter Big Bang. Samarbejdet har set tegn på topkvarker i kollisioner mellem tunge kerner ved Large Hadron Collider (LHC).

Det er ikke første gang, at denne særlige partikel - den tungeste kendte elementarpartikel - har vist sig ved partikelkolliderer. Topkvarken blev første gang observeret ved proton -antiproton -kollisioner ved Tevatron -kollideren for 25 år siden, og er siden blevet opdaget og undersøgt ved proton -proton og proton -kerne -kollisioner ved LHC. Men det nye fund, beskrevet i et papir, der netop er accepteret til offentliggørelse i Fysisk gennemgangsbreve , er sikker på at begejstre både eksperimentelle og teoretikere, til analyse af topkvarker i kraftige kernekollisioner tilbyder en ny og unik måde at studere det kvark-gluonplasma, der dannes i disse kollisioner og menes at have eksisteret i universets tidlige øjeblikke. Ud over, sådan analyse kunne kaste nyt lys over arrangementet af kvarker og gluoner inde i tunge kerner.

Der er ikke ligefrem mangel på partikler, eller sonder, hvormed man kan undersøge kvark -gluonplasma. LHC -eksperimenterne har længe brugt flere typer partikler til at studere egenskaberne ved denne ekstreme tilstand, hvor kvarker og gluoner ikke er begrænset i sammensatte partikler, men derimod vandrer rundt som partikler i en væske med lille friktionsbestandighed. Men alle de eksisterende sonder giver tidsgennemsnitlig information om plasmaet. Derimod, topkvarken, på grund af den særlige måde, det transformerer på, eller henfalder til andre partikler, kan give øjebliksbilleder af plasmaet på forskellige tidspunkter af dets levetid.

"Hurtigere kvarker i bevægelse giver øjebliksbilleder senere. Ved at samle øjebliksbilleder taget med topkvarker i en række forskellige hastigheder, vi håber, at det i sidste ende vil være muligt at lave en film af kvark -gluonplasmas udvikling, "forklarer CERN-baserede forsker Guilherme Milhano, der var medforfatter til en teoretisk undersøgelse af sondering af kvark-gluonplasma med topkvarker. "Det nye CMS -resultat repræsenterer det allerførste skridt på den vej."

CMS -samarbejdet så tegn på topkvarker i en stor dataprøve fra bly -bly -kollisioner med en energi på 5,02 TeV. Holdet ledte efter sammenstød, der producerede en topkvark og en topantikvark. Disse kvarker henfalder meget hurtigt til en W boson og en bundkvark, som igen også henfalder meget hurtigt til andre partikler. CMS -fysikerne ledte efter det særlige tilfælde, hvor de sidste henfaldsprodukter er ladede leptoner (elektroner eller deres tungere fætre -muoner) og 'stråler' af flere partikler, der stammer fra bundkvarker.

Efter at have isoleret og talt disse top -antitop kollisionshændelser, CMS vurderede sandsynligheden for, at bly -bly -kollisioner producerer top -top -top -par via ladede leptoner og bundkvarker. Resultatet har en statistisk signifikans på omkring fire standardafvigelser, så det endnu ikke overskrider tærsklen for fem standardafvigelser, der kræves for at kræve observation af top-kvarkproduktion. Men det repræsenterer væsentlige tegn på processen - der er kun 0,003% chance for, at resultatet er en statistisk fejl. Hvad mere er, resultatet er i overensstemmelse med teoretiske forudsigelser, samt med ekstrapolationer fra tidligere målinger af sandsynligheden ved proton -protonkollisioner ved samme kollisionsenergi.

"Vores resultat demonstrerer CMS-eksperimentets evne til at udføre top-quark-undersøgelser i det komplekse miljø af tunge kernekollisioner, "siger CMS -fysikeren Georgios Krintiras, en postdoktor ved University of Kansas, "og det er den første springbræt i at bruge topkvarken som en ny og kraftig sonde af kvark -gluonplasma."