Forskerhold måler massen af ​​topkvarken med uovertruffen nøjagtighed

CMS-samarbejdet ved Large Hadron Collider (LHC) har udført den mest nøjagtige måling nogensinde af massen af ​​topkvarken - den tungeste kendte elementarpartikel. Det seneste CMS-resultat estimerer værdien af ​​topkvarkmassen med en nøjagtighed på omkring 0,22%. Den væsentlige gevinst i nøjagtighed kommer fra nye analysemetoder og forbedrede procedurer til konsekvent og samtidig at behandle forskellige usikkerheder i målingen.

Den præcise viden om topkvarkmassen er af afgørende betydning for at forstå vores verden i den mindste skala. At kende denne tungeste elementarpartikel så indgående som muligt er afgørende, fordi det tillader test af den indre konsistens af den matematiske beskrivelse af alle elementarpartikler, kaldet Standardmodellen.

For eksempel, hvis masserne af W-bosonen og Higgs-bosonen er kendt nøjagtigt, kan topkvarkmassen forudsiges af standardmodellen. På samme måde kan W-bosonmassen forudsiges ved at bruge topkvark- og Higgs-bosonmasserne. Interessant nok, på trods af store fremskridt, er den teoretisk-fysiske definition af masse, som har at gøre med effekten af ​​kvantefysiske korrektioner, stadig svær at fastlægge for topkvarken.

Og bemærkelsesværdigt nok afhænger vores viden om selve stabiliteten af ​​vores univers af vores kombinerede viden om Higgs-boson- og topkvarkmasserne. Vi ved kun, at universet er meget tæt på en metastabil tilstand med nøjagtigheden af ​​de aktuelle målinger af topkvarkmassen. Hvis top-quark-massen var en smule anderledes, ville universet være mindre stabilt på lang sigt og potentielt til sidst forsvinde i en voldsom begivenhed, der ligner Big Bang.

For at foretage deres seneste måling af top-quark-massen, ved hjælp af data fra proton-proton LHC-kollisioner indsamlet af CMS-detektoren i 2016, målte CMS-teamet fem forskellige egenskaber ved kollisionshændelser, hvor et par top-kvarker produceres, i stedet for de op til tre egenskaber, der blev målt i tidligere analyser. Disse egenskaber afhænger af topkvarkmassen.

Ydermere udførte holdet en ekstremt præcis kalibrering af CMS-dataene og opnåede en dybdegående forståelse af de resterende eksperimentelle og teoretiske usikkerheder og deres indbyrdes afhængighed. Med denne innovative metode blev alle disse usikkerheder også udtrukket under den matematiske tilpasning, der bestemmer den endelige værdi af topkvarkmassen, og det betød, at nogle af usikkerhederne kunne estimeres meget mere præcist. Resultatet, 171,77±0,38 GeV, er i overensstemmelse med de tidligere målinger og forudsigelsen fra standardmodellen.

CMS-samarbejdet har taget et væsentligt spring fremad med denne nye metode til at måle topkvarkmassen. Den banebrydende statistiske behandling af usikkerheder og brugen af ​​flere egenskaber har forbedret målingen markant. Endnu et stort skridt forventes, når den nye tilgang anvendes på det mere omfattende datasæt, der er registreret af CMS-detektoren i 2017 og 2018. + Udforsk yderligere

Indsigt i Higgs-bosonens interaktion med charmekvarken