Het resultaat van recent onderzoek door de CMS-samenwerking opent de weg om op een nieuwe en unieke manier een extreme toestand van materie te bestuderen die vermoedelijk kort na de oerknal heeft bestaan. De samenwerking heeft bewijs gezien van top-quarks in botsingen tussen zware kernen bij de Large Hadron Collider (LHC).

Dit is niet de eerste keer dat dit speciale deeltje - het zwaarste bekende elementaire deeltje - opduikt bij deeltjesversnellers. De top-quark werd 25 jaar geleden voor het eerst waargenomen bij proton-antiproton-botsingen bij de Tevatron-botser, en is sindsdien gespot en bestudeerd in proton-proton- en proton-kernbotsingen bij de LHC. Maar de nieuwe bevinding beschreven in een artikel dat zojuist is geaccepteerd voor publicatie in Fysieke beoordelingsbrieven , zal zeker experimentatoren en theoretici opwinden, voor analyse van top-quarks bij botsingen met zware kernen biedt een nieuwe en unieke manier om het quark-gluon-plasma te bestuderen dat zich bij deze botsingen vormt en waarvan wordt aangenomen dat het in de vroege momenten van het universum heeft bestaan. In aanvulling, een dergelijke analyse zou nieuw licht kunnen werpen op de rangschikking van quarks en gluonen in zware kernen.

Er is niet bepaald een tekort aan deeltjes, of sondes, waarmee we het quark-gluonplasma kunnen onderzoeken. De LHC-experimenten gebruiken al lang verschillende soorten deeltjes om de eigenschappen van deze extreme toestand van materie te bestuderen, waarin quarks en gluonen niet zijn opgesloten in composietdeeltjes, maar in plaats daarvan zwerven als deeltjes in een vloeistof met een kleine wrijvingsweerstand. Maar alle bestaande sondes geven tijdgemiddelde informatie over het plasma. Daarentegen, de top-quark, vanwege de bijzondere manier waarop het transformeert, of vervalt in andere deeltjes, kan momentopnamen van het plasma op verschillende tijdstippen van zijn leven leveren.

"Sneller bewegende top-quarks zorgen voor snapshots in een later tijdstip. Door snapshots samen te stellen die met top-quarks zijn gemaakt met verschillende snelheden, we hopen dat het uiteindelijk mogelijk zal zijn om een ​​film te maken van de evolutie van het quark-gluonplasma, ", legt CERN-gebaseerd onderzoeker Guilherme Milhano uit, die co-auteur was van een theoretische studie over het onderzoeken van het quark-gluon-plasma met top-quarks. "Het nieuwe CMS-resultaat is de allereerste stap op die weg."

De CMS-samenwerking zag bewijs van top-quarks in een groot gegevensmonster van lood-loodbotsingen met een energie van 5,02 TeV. Het team zocht naar botsingen die een top-quark en een top-antiquark produceerden. Deze quarks vervallen zeer snel in een W-boson en een bottom-quark, die op hun beurt ook zeer snel vervallen in andere deeltjes. De CMS-fysici zochten naar het specifieke geval waarin de uiteindelijke vervalproducten geladen leptonen zijn (elektronen of hun zwaardere neven muonen) en 'jets' van meerdere deeltjes afkomstig van bottom-quarks.

Na het isoleren en tellen van deze top-antitop botsingsgebeurtenissen, CMS schatte de kans op lood-loodbotsingen om top-antitopparen te produceren via geladen leptonen en bottom-quarks. Het resultaat heeft een statistische significantie van ongeveer vier standaarddeviaties, dus het overschrijdt nog niet de drempel van vijf standaarddeviaties die nodig is om waarneming van top-quarkproductie te claimen. Maar het vertegenwoordigt significant bewijs van het proces - er is slechts een kans van 0,003% dat het resultaat een statistische toevalstreffer is. Bovendien, het resultaat is consistent met theoretische voorspellingen, evenals met extrapolaties van eerdere metingen van de waarschijnlijkheid van proton-protonbotsingen bij dezelfde botsingsenergie.

"Ons resultaat demonstreert het vermogen van het CMS-experiment om top-quark-onderzoeken uit te voeren in de complexe omgeving van botsingen met zware kernen, " zegt CMS-natuurkundige Georgios Krintiras, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Kansas, "en het is de eerste opstap naar het gebruik van de top-quark als een nieuwe en krachtige sonde van het quark-gluonplasma."