Voor de eerste keer, CMS-fysici hebben een effect onderzocht dat het "lopen" van de top-quarkmassa wordt genoemd, een fundamenteel kwantumeffect voorspeld door het standaardmodel.

Massa is een van de meest complexe concepten in de fundamentele fysica, die een lange geschiedenis van conceptuele ontwikkelingen doormaakte. Massa werd in de klassieke mechanica voor het eerst begrepen als een maat voor traagheid en werd later in de speciale relativiteitstheorie geïnterpreteerd als een vorm van energie. Massa heeft een vergelijkbare betekenis in moderne kwantumveldentheorieën die de subatomaire wereld beschrijven. Het standaardmodel van deeltjesfysica is zo'n kwantumveldentheorie, en het kan de interactie beschrijven van alle bekende fundamentele deeltjes bij de energieën van de Large Hadron Collider.

Quantum Chromodynamica is het deel van het standaardmodel dat de interacties beschrijft van fundamentele bestanddelen van nucleaire materie:quarks en gluonen. De sterkte van de interactie tussen deze deeltjes hangt af van een fundamentele parameter die de sterke koppelingsconstante wordt genoemd. Volgens Quantum Chromodynamica, de sterke koppelingsconstante neemt snel af bij hogere energieschalen. Dit effect wordt asymptotische vrijheid genoemd, en de schaalevolutie wordt de "loop van de koppelingsconstante" genoemd. Hetzelfde geldt ook voor de massa's van de quarks, die zelf kunnen worden begrepen als fundamentele koppelingen, bijvoorbeeld, in verband met de interactie met het Higgsveld. In Quantum Chromodynamica, het verloop van de sterke koppelingsconstante en van de quarkmassa's kan worden voorspeld, en deze voorspellingen kunnen experimenteel worden getest.

De experimentele verificatie van de loopmassa is een essentiële test van de validiteit van Quantum Chromodynamica. Bij de energieën die zijn onderzocht door de Large Hadron Collider, de effecten van fysica buiten het standaardmodel zouden kunnen leiden tot wijzigingen in de werking van massa. Daarom, een meting van dit effect is ook een zoektocht naar onbekende natuurkunde. In de afgelopen decennia is de werking van de sterke koppelingsconstante is experimenteel geverifieerd voor een breed scala aan schalen. Ook, er werd bewijs gevonden voor het functioneren van de massa's van de charme- en schoonheidsquarks.

Met een nieuwe meting de CMS Collaboration onderzoekt voor het eerst de werking van de massa van de zwaarste van de quarks:de top-quark. De productiesnelheid van top-quarkparen (een hoeveelheid die afhangt van de top-quarkmassa) werd gemeten op verschillende energieschalen. Van deze meting is de top-quarkmassa wordt op die energieschalen geëxtraheerd met behulp van theoretische voorspellingen die de snelheid voorspellen waarmee top-quark-antiquark-paren worden geproduceerd.

Experimenteel, interessante botsingen van top-quarkparen worden geselecteerd door te zoeken naar de specifieke vervalproducten van een top-quark-antiquarkpaar. In de overgrote meerderheid van de gevallen, top-quarks vervallen tot een energetische jet en een W-boson, die op hun beurt kan vervallen in een lepton en een neutrino. Jets en leptonen kunnen met hoge precisie worden geïdentificeerd en gemeten door de CMS-detector, terwijl neutrino's onopgemerkt ontsnappen en zich openbaren als ontbrekende energie. Een botsing die waarschijnlijk de productie is van een top-quark-antiquark-paar zoals te zien is in de CMS-detector, wordt getoond in figuur 1. Een dergelijke botsing zal naar verwachting een elektron bevatten, een muon, twee energieke jets, en een grote hoeveelheid ontbrekende energie.

Het gemeten verloop van de top-quarkmassa wordt weergegeven in figuur 2. De markeringen komen overeen met de gemeten punten, terwijl de rode lijn de theoretische voorspelling vertegenwoordigt volgens Quantum Chromodynamics. Het resultaat geeft de eerste indicatie van de validiteit van het fundamentele kwantumeffect van het lopen van de top-quarkmassa en opent een nieuw venster om ons begrip van de sterke interactie te testen. Hoewel er in de toekomstige LHC-runs veel meer gegevens zullen worden verzameld, te beginnen met Run 3 in 2021, dit specifieke CMS-resultaat is meestal gevoelig voor onzekerheden die voortkomen uit de theoretische kennis van de top-quark in Quantum Chromodynamics. Om getuige te zijn van het rennen van de top-quarkmassa met nog hogere precisie en misschien tekenen van nieuwe fysica te onthullen, theoretische ontwikkelingen en experimentele inspanningen zullen beide nodig zijn. Ondertussen, kijk hoe de top quark loopt!