Det første bevis på topkvarkproduktion i kerne-kernekollisioner

Compact Muon Solenoid (CMS) samarbejde, en stor gruppe forskere fra forskellige institutter verden over, har for nylig samlet det allerførste bevis på topkvarkproduktion i kerne-kernekollisioner. Deres arbejde, beskrevet i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , var baseret på bly-bly-kollisionsdata indsamlet af CMS-partikeldetektoren, hos CERNs Large Hadron Collider (LHC).

Indtil for få år siden, da CERNs LHC lige var begyndt at operere, de fleste fysikere, der studerer tunge ioner (dvs. højmassekerner, der er blevet fuldstændig strippet for elektroner til accelerationsformål) var skeptiske over for muligheden for, at topkvarker, de tungeste elementarpartikler kendt til dato, kunne studeres ved kraftige ionkollisioner. Faktisk, på det tidspunkt, det var stadig uklart, om LHC var i stand til at opretholde kollisioner mellem tunge ioner med en tilstrækkelig høj kollisionshastighed, også kendt som lysstyrke. For nylig, imidlertid, LHC-acceleratoreksperter var i stand til at opnå denne hastighed og overgå de oprindelige lysstyrkemål for tunge ionkollisioner.

En anden grund til, at studier af topkvarker i tunge ionkollisioner syntes mindre gennemførlige end i proton-proton (p-p) kollisioner er, at når LHC kolliderer med tunge ioner, den maksimale kinetiske energi af individuelle nukleoner er betydeligt mindre end den tilsvarende energi i p-p-kollisioner. Da hastigheden af ​​topkvarkproduktion i høj grad afhænger af kollisionsenergien (dvs. jo større energi, jo nemmere er det at producere kvarker), at producere disse partikler i LHC-baserede tunge ionkollisioner virkede udfordrende.

LHC blev også sat op til at afsætte mindre tid til kraftige ionkollisioner og mere til p-p-kollisioner, afspejler partikelfysiksamfundets prioriteter. For eksempel, på et år, det bruger generelt en måned på at producere kraftige ionkollisioner og seks til syv måneder i p-p-kollisioner.

Endelig, kraftige ionkollisioner producerer langt flere partikler end mere almindelige p-p, hvilket kan gøre det meget udfordrende at detektere partikler og analysere tunge ion-relaterede data indsamlet af LHC. I fællesskab disse faktorer hindrede og bremsede studiet af topkvarker i kraftige ionkollisioner, selvom de ofte blev identificeret i p-p-kollisioner.

Fem år siden, forskere ved CERN, Jyväskylä Universitet, og Helsinki Institute of Physics offentliggjorde de første forudsigelser om produktionshastigheden af ​​topkvarker i kraftige ionkollisioner. På trods af den relativt lave produktionshastighed af LHC, de argumenterede for, at topkvarker kunne hjælpe med at sondere det såkaldte kvark-gluon plasma (QGP). QGP er en tilstand af stof, der menes at have eksisteret i universets første mikrosekund af livet, som også kunne opholde sig i den tætte kerne af neutronstjerner i nutidens univers. Denne tilstand af stof kan genskabes i laboratoriemiljøer ved at kollidere tunge ioner, såsom bly (Pb).

Topkvarker kan være nyttige både til at sondere QGP og til at studere fordelingen af ​​gluoner i kerner. Disse to anvendelser, imidlertid, kræver forskellige typer kollisioner, de tidligere symmetriske (f.eks. bly på bly eller Pb-Pb) og sidstnævnte symmetriske og asymmetriske (f.eks. protoner på bly eller p-Pb). LHC kolliderer både symmetriske og asymmetriske stråler, men før det kunne anvendes til QGP og gluon-relaterede undersøgelser, forskere skulle med en høj grad af sikkerhed bevise, at topkvarker faktisk kan påvises i kerne-kernekollisioner.

"I december 2015 LHC leverede Pb-Pb-kollisioner med en kinetisk energi på 2,51 TeV pr. nukleon, betydning for nukleon-nukleon-kollisionen, en total total (massecenterenergi pr. nukleon) på 5,02 TeV, " fortalte medlemmer af CMS Collaboration til Phys.org via e-mail. "Dette var et stort skridt i forhold til Run 1, men lysstyrken var stadig for begrænset til top-quark-studieformål og, som før nævnt, den tunge ion-driftstid var kun en måned. Så kort sagt, det datasæt var for lille til at hævde beviser for topkvarkproduktion."

Efter at datasættet indsamlet i 2015 blev frigivet, forskerne udførte en række undersøgelser, der havde til formål at samle beviser for topkvarkproduktion ved kraftige ionkollisioner. Først, de målte topkvarkproduktion i en lille reference p-p-prøve taget i 2015 ved samme massecenterenergi på 5,02 TeV, så målte de det i p-Pb-kollisioner registreret i 2016. I sidste ende, de udførte deres analyser på Pb-Pb-kollisioner.

"Disse nye Pb-Pb-data blev akkumuleret i slutningen af ​​kørsel 2, i 2018, takket være vores accelerator-kollegers opfindsomhed, der introducerede forbedringer i kæden fra Pb-ionkilden ned til LHC, og CMS-eksperimentets evne til at optage på bånd, den fulde mængde tunge iondata leveret af LHC, " forklarede medlemmer af CMS Collaboration. "Samlet set, dette resulterede i en samlet akkumuleret lysstyrke cirka fire gange større end i 2015. Det større datasæt hjalp til sidst, men i sig selv, det ville ikke have været tilstrækkeligt, hvis der ikke blev indført forbedringer til genopbygning af topkvark."

I deres nylige undersøgelse, CMS-samarbejdet kombinerede to eksperimentelle tilgange:en, der er påvirket af tilstedeværelsen af ​​QGP, og en, der er agnostisk over for det. Den første af disse metoder udnytter tilstedeværelsen af ​​bundkvarker (dvs. de lettere versioner af topkvarker). Bundkvarker kan give hints om topkvarkproduktion, da sidstnævnte næsten altid forfalder til førstnævnte. Den anden tilgang, på den anden side, udelukkende fokuseret på studiet af elektroner og myoner (dvs. tungere slægtninge til elektroner).

"Denne anden metode var mindre følsom, men det forhindrede en potentiel kritik:Vi har en relativt upræcis viden, indtil nu, af, hvordan QGP påvirker adfærden af ​​bundkvarker, og så i princippet, den første metode kan være forudindtaget af stadig ukendte effekter, " Andrea Giammanco, tidligere koordinator for Top Quark-gruppen i CMS-samarbejdet, fortalte Phys.org. "Som et resultat af det lille top-quark signal, den store baggrund (f.eks. tilfældige kombinationer af ikke-relaterede partikler, eller detektor-inducerede processer, der efterligner signalet), og kompleksiteten af ​​topkvark-rekonstruktion, analysen blev designet med nogle få unikke funktioner."

I første omgang, CMS-samarbejdet fokuserede på re-optimering af identifikationsalgoritmer for at opnå præstationer, der kan sammenlignes med dem, der blev opnået ved p-p-kollisioner, på trods af de udfordringer, der er forbundet med miljøet skabt af Pb-Pb-kollisioner. Efterfølgende, de brugte avancerede maskinlæringsalgoritmer, som er lovende værktøjer til analyse af data indsamlet af LHC.

Især CMS-samarbejdet var det første til at indsamle målinger, der udtrækker topkvarksignaler baseret på leptoninformation alene. Ud over, de brugte en ny analyseteknik, der udelukkende er drevet af data til omhyggeligt at estimere baggrundsinformation.

"For at undgå enhver menneskelig skævhed, vores undersøgelse blev designet efter en såkaldt 'blind' analyseprocedure, hvorved udvælgelseskriterierne blev optimeret og fikset først ved brug af kun en lille indledende del af dataene, før de anvendes på det fulde datasæt, " sagde Giammanco. "Til sidst, overensstemmelsen mellem resultaterne fra de to tilgange, med hastigheden ekstrapoleret fra p-p-kollisioner, og med den teoretiske forventning, gav os tillid til det første konkrete bevis for produktionen af ​​topkvarker i kerne-kernekollisioner. Afgørende for dette vellykkede resultat har også været det præcise skøn over den faktiske lysstyrke, en opgave som vores team, ved hjælp af CMS luminosity group, udføres med høj prioritet, også."

Forud for denne nylige undersøgelse, LHC havde muliggjort målinger af forskellige elementarpartikler med store masser i kraftige ionkollisioner, såsom massive bærere af den elektrosvage kraft (dvs. W og Z bosoner). Ikke desto mindre, der manglede beviser for top kvarkproduktion i kraftige ionkollisioner, selv om teoretiske forudsigelser tydede på, at de blev produceret i en tilstrækkelig høj hastighed. Ud over at indsamle de første beviser for top kvarkproduktion i kollisioner mellem kerne og kerne, den nylige undersøgelse foretaget af CMS-samarbejdet målte en kollisionsrate, der er på linje med teoretiske forudsigelser.

"Rent faktisk, vores samfund havde aldrig før haft chancen for at undersøge et sådant energiregime (eller 'energiskala') tæt på den øverste kvarkmasse, at sætte teorien, der binder sammen nukleoner i kerner, kaldet 'den stærke kraft' "under strenge tests, " Georgios K. Krintiras, co-koordinator for Luminosity Group i CMS-samarbejdet, fortalte Phys.org. "I øvrigt, fysiske processer, der er brugt hidtil, for eksempel, produktionen af ​​W- og Z-bosonerne og lyspartikler, fotonerne, er kun følsomme over for egenskaberne ved QGP integreret over dets ekstremt korte levetid (kun en lille brøkdel af et sekund, i tekniske termer, cirka sekunder). Vores papir, opfølgning på nyere teoriovervejelser for at afsløre yoktsekundstrukturen af ​​QGP, er blot det første trin i at bruge topkvarken til at give vigtige nye indsigter i tidsstrukturen af ​​mediet, der er skabt i kraftige ionkollisioner."

De analyser, som CMS-samarbejdet har foretaget i denne nylige undersøgelse, afviger fra veletablerede forskningstilgange og kan dermed åbne op for nye muligheder for at undersøge tidsdimensionen af ​​QGP. Dette kunne i sidste ende bevise dets eksistens ved at samle verdens korteste film om dens udvikling.

"Den usædvanligt høje masse af topkvarker, vi identificerede, sætter også en ny skala til at sondere kernernes indre struktur, kodet i de såkaldte nukleare parton distributionsfunktioner (nPDF'er), " sagde Krintiras. "Vores nuværende viden om, hvordan nukleoner opfører sig inde i en kerne, er begrænset, primært på grund af manglen på data i den skala."

Nukleoner består af tre fundamentale partikler kendt som kvarker. Samspillet mellem disse kvarker, som medieres af en anden klasse af partikler kendt som gluoner, er så intense, at teoretisk set, ingen ydre kraft bør være i stand til at påvirke deres adfærd, ikke engang de stærke kræfter mellem forskellige partikler inde i en kerne.

Forskning udført på CERN i 80'erne afslørede, at nukleoner bundet i kerner har tendens til at opføre sig anderledes end dem, der er frie, et fund, der blev bekræftet af adskillige efterfølgende undersøgelser. I denne tidligere forskning, European Muon Collaboration (EMC) undersøgte forholdet mellem data, de indsamlede om per-nukleon-myon, der spredes fra jern, og sammenlignede det med det, der var relateret til den langt mindre kerne af deuterium, at opnå overraskende resultater, der ikke matchede deres forudsigelser. Tilsvarende forskere ved LHC undersøger forholdet mellem målingerne udført under Pb-Pb-kollisioner, sammenligner det med dem, der er indsamlet under p-p-kollisioner.

"I denne sammenhæng, topkvarken udgør en teoretisk præcis sonde af gluon nPDF'erne i en dårligt udforsket skala, "Krintiras forklarede. "Nøjagtig viden om nPDF'er er også en vigtig forudsætning for at udtrække detaljerede oplysninger om QGP-egenskaber fra de eksperimentelle data."

Det seneste arbejde fra CMS-samarbejdet kan også have vigtige implikationer for forståelsen og søgen efter ny fysik. Selvom forskningsmiljøer, der undersøger tunge ion-interaktioner og ny fysik, typisk ikke er relaterede, dette første bevis for produktionen af ​​topkvarker i tunge ion-interaktioner har banet vejen for et samarbejde mellem disse to fysiksamfund.

"Denne søgning har inspireret mig til at gå sammen med kolleger specialiseret i ny fysik, at foreslå en sådan søgning, der ville drage fordel af de unikke egenskaber ved tunge ionkollisioner, og det kunne blive muligt med specielle tunge ionløb i fremtiden, " sagde Giammanco. "For to år siden, vi arrangerede en dedikeret workshop, kaldet "Tunge ioner og skjulte sektorer, "hvortil vi inviterede de fleste af de mennesker, der var aktive i den lille niche af nye fysiksøgninger i tunge ioner, men også tunge ion-eksperter, der aldrig havde arbejdet på ny fysik, nye fysikeksperter, der aldrig havde arbejdet med tunge ioner, og LHC-acceleratoreksperter, så de kunne vejlede os om, hvad der muligvis kunne opnås med hensyn til ydeevne af tunge ionstråler i fremtidige LHC-kørsler."

Nogle af de sofistikerede algoritmer, som CMS-samarbejdet udviklede til at udføre denne søgning, bliver nu brugt som et argument inden for forskningsmiljøet, der leder efter ny fysik. Mere specifikt, det bliver i øjeblikket brugt til at demonstrere, at nogle af de grundlæggende begrænsninger eller udfordringer forbundet med søgninger efter ny fysik kan overvindes.

I deres fremtidige arbejde, CMS-samarbejdet planlægger at bygge videre på deres seneste resultater for at udføre yderligere søgninger efter topkvarker i kraftige ionkollisioner. I øvrigt, holdet vil gerne forbedre effektiviteten af ​​deres eksperimentelle metoder og algoritmer yderligere.

"I vores papir, den såkaldte 'observerede statistiske signifikans' af signalet udgør 4,0 enheder af 'standardafvigelser' (σ), for begge metoder, " sagde Krintiras. "Med andre ord, hvis der ikke blev produceret topkvarker, der ville stadig være en sandsynlighed på 0,003 % (det er 4σ-niveauet), for at signalet ville opstå fra en baggrundsudsving. Vi vil gerne mindske denne sandsynlighed yderligere, at nå den højere tærskel på 5σ, der betragtes som standarden for at erklære observation i vores samfund."

For at forbedre den observerede statistiske signifikans af det signal, de opdagede, og øge pålideligheden af ​​deres resultater, forskerne skal først øge lysstyrken i deres søgning. Faktisk, selvom de er i overensstemmelse med teoretiske forudsigelser, kollisionshastighedsværdierne udtrukket i deres seneste papir er lidt lavere end de forventede værdier. En forøgelse af den statistiske signifikans kan hjælpe med at afgøre, om denne lavere rate er et resultat af tilfældige udsving eller indikerer en underliggende systematisk tendens.

"På trods af den stigende interesse for analyser omkring nPDF'er, vi er stadig langt fra at opnå en detaljeret forståelse af de indre strukturmodifikationer i bundne kerner, " sagde Krintiras. "LHC nukleare data er bebudet som en game-changer, da de giver mulighed for en præcis formalisme af nPDF'er for hovedkernen, herunder fremskridt i vores viden om bundne gluoner fra topkvarkmålinger. Vi kan endda forudse yderligere kørsler ved LHC med højere anvendelig lysstyrke, hvilket giver yderligere mulighed for at kollidere med en eller flere lettere kerner end bly, dermed bygge bro over det i øjeblikket store hul."

Der er også en komplementaritet mellem fysikprogrammerne på LHC og den planlagte Electron-Ion Collider (EIC) på Brookhaven-laboratoriet, besvare det afgørende spørgsmål om nPDF'er er funktioner med universel anvendelighed. Sammen, disse bestræbelser forventes at afsløre med præcision, hvad arrangementet af kvarker og gluoner, der udgør kernernes protoner og neutroner, er.

"Med det meste af den samlede lysstyrke af LHC Pb-Pb-programmet stadig skal registreres i det næste årti og lovende præstationsprognoser for den fremtidige højlysstyrkeopgradering af LHC, eller endda fremtiden, mere magtfuld, kolliderer, også anbefalet af den nylige opdatering af den europæiske strategi for partikelfysik, observerbare topkvarker vil blive målt med stadigt stigende præcision og endda blive en præcis sonde af QGP, " tilføjede Krintiras. "Dette kunne bevise sin eksistens og gøre det muligt at samle verdens korteste film, og endnu mere, med en ekstrem høj opløsning."

© 2021 Science X Network