De Compact Muon Solenoid (CMS) samenwerking, een grote groep onderzoekers van verschillende instituten wereldwijd, heeft onlangs het allereerste bewijs verzameld van de productie van top-quarks in kern-kernbotsingen. Hun werk, beschreven in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , was gebaseerd op lood-loodbotsingsgegevens verzameld door de CMS-deeltjesdetector, bij de Large Hadron Collider (LHC) van CERN.

Tot een paar jaar geleden, toen de LHC van CERN net begon te werken, de meeste natuurkundigen die zware ionen bestuderen (d.w.z. kernen met een hoge massa die volledig van elektronen zijn ontdaan voor versnellingsdoeleinden) waren sceptisch over de mogelijkheid dat top-quarks, de zwaarste elementaire deeltjes die tot nu toe bekend zijn, kunnen worden bestudeerd in zware ionenbotsingen. In feite, destijds, het was nog steeds onduidelijk of de LHC in staat was om botsingen tussen zware ionen te ondersteunen met een voldoende hoge botsingssnelheid, ook wel helderheid genoemd. Onlangs, echter, LHC-versnellerexperts waren in staat om deze snelheid te bereiken en de initiële helderheidsdoelen voor zware ionenbotsingen te overtreffen.

Een andere reden waarom het bestuderen van top-quarks bij botsingen met zware ionen minder haalbaar leek dan bij botsingen tussen protonen en protonen, is dat wanneer de LHC met zware ionen botst, de maximale kinetische energie van individuele nucleonen is aanzienlijk kleiner dan de overeenkomstige energie in pp-botsingen. Aangezien de snelheid van de productie van top-quarks voor een groot deel afhangt van de botsingsenergie (d.w.z. hoe groter de energie, hoe gemakkelijker het is om quarks te produceren), het produceren van deze deeltjes in LHC-gebaseerde botsingen met zware ionen leek een uitdaging.

De LHC is ook opgezet om minder tijd te besteden aan zware ionenbotsingen en meer aan pp-botsingen, die de prioriteiten van de deeltjesfysica-gemeenschap weerspiegelen. Bijvoorbeeld, in een jaar, het besteedt over het algemeen een maand aan het produceren van zware ionenbotsingen en zes tot zeven maanden aan pp-botsingen.

Eindelijk, botsingen van zware ionen produceren veel meer deeltjes dan de meest voorkomende pp-deeltjes, wat het detecteren van deeltjes en het analyseren van zware ion-gerelateerde gegevens die door de LHC zijn verzameld, zeer uitdagend kan maken. collectief, deze factoren belemmerden en vertraagden de studie van top-quarks bij zware ionenbotsingen, zelfs als ze vaak werden geïdentificeerd in pp-botsingen.

Vijf jaar geleden, onderzoekers van CERN, Universiteit van Jyväskylä, en Helsinki Instituut voor Natuurkunde publiceerde de eerste voorspellingen van de productiesnelheid van top-quarks bij botsingen met zware ionen. Ondanks de relatief lage productiesnelheid van de LHC, ze voerden aan dat top-quarks zouden kunnen helpen om het zogenaamde quark-gluon-plasma (QGP) te onderzoeken. QGP is een toestand van materie waarvan wordt aangenomen dat deze bestond tijdens de eerste microseconde van het leven in het universum, die zich ook in de dichte kern van neutronensterren in het huidige universum zou kunnen bevinden. Deze toestand van materie kan in laboratoriumomgevingen worden nagebootst door zware ionen te laten botsen, zoals lood (Pb).

Top-quarks kunnen zowel nuttig zijn om QGP te onderzoeken als om de verdeling van gluonen binnen kernen te bestuderen. Deze twee toepassingen, echter, verschillende soorten botsingen vereisen, de voormalige symmetrische (bijv. lood op lood of Pb-Pb) en de laatste symmetrische en asymmetrische (bijv. protonen op lood of p-Pb). De LHC botst met zowel symmetrische als asymmetrische balken, maar voordat het kon worden toegepast op QGP- en gluon-gerelateerde onderzoeken, onderzoekers moesten met een hoge mate van zekerheid bewijzen dat top-quarks daadwerkelijk kunnen worden gedetecteerd in kern-kernbotsingen.

"In december 2015 de LHC leverde Pb-Pb-botsingen met een kinetische energie van 2,51 TeV per nucleon, betekenis voor de nucleon-nucleon botsing, een totaal (zwaartepuntsenergie per nucleon) van 5,02 TeV, " leden van de CMS Collaboration vertelden Phys.org via e-mail. "Dit was een grote stap ten opzichte van Run 1, maar de helderheid was nog steeds te beperkt voor studiedoeleinden met top-quark en, zoals eerder gezegd, de looptijd van de zware ionen was slechts een maand. Dus in het kort, die dataset was te klein om bewijs te claimen voor de productie van topquarks."

Nadat de in 2015 verzamelde dataset was vrijgegeven, de onderzoekers voerden een reeks onderzoeken uit om bewijs te verzamelen voor de productie van topquarks bij botsingen met zware ionen. Eerst, ze hebben de productie van topquarks gemeten in een klein referentie-pp-monster genomen in 2015 bij dezelfde zwaartepuntsenergie van 5,02 TeV, vervolgens hebben ze het gemeten in p-Pb-botsingen die in 2016 zijn geregistreerd. ze voerden hun analyses uit op Pb-Pb-botsingen.

"Deze nieuwe Pb-Pb-gegevens werden verzameld aan het einde van Run 2, in 2018, dankzij de vindingrijkheid van onze accelerator-collega's, die verbeteringen aanbracht in de keten van de Pb-ionenbron tot aan LHC, en de mogelijkheid van het CMS-experiment om op band op te nemen, de volledige hoeveelheid gegevens over zware ionen geleverd door LHC, " leden van de CMS Collaboration uitgelegd. "Over het algemeen, dit resulteerde in een totale geaccumuleerde helderheid die ongeveer vier keer groter was dan in 2015. De grotere dataset hielp uiteindelijk, maar op zichzelf, het zou niet voldoende zijn geweest als er geen verbeteringen in de reconstructie van de top-quark waren geïntroduceerd."

In hun recente studie, de CMS-samenwerking combineerde twee experimentele benaderingen:een die wordt beïnvloed door de aanwezigheid van QGP en een die er agnostisch voor is. De eerste van deze methoden maakt gebruik van de aanwezigheid van bottom-quarks (d.w.z. de lichtere versies van top-quarks). Bottom-quarks kunnen hints geven over de productie van top-quarks, aangezien de laatste bijna altijd in de eerste vervallen. De tweede benadering, anderzijds, uitsluitend gericht op de studie van elektronen en muonen (d.w.z. zwaardere verwanten van elektronen).

"Deze tweede methode was minder gevoelig, maar het verhinderde een mogelijke kritiek:we hebben een relatief onnauwkeurige kennis, tot dusver, van hoe QGP het gedrag van bottom-quarks beïnvloedt, en dus in principe de eerste methode kan vertekend zijn door nog onbekende effecten, "Andrea Giammanco, voormalig coördinator van de Top Quark-groep van de CMS-samenwerking, vertelde Phys.org. "Als gevolg van de kleinheid van het top-quarksignaal, de grote achtergrond (bijv. willekeurige combinaties van niet-verwante deeltjes, of detector-geïnduceerde processen die het signaal nabootsen), en de complexiteit van de reconstructie van top-quarks, de analyse is ontworpen met een paar unieke kenmerken."

aanvankelijk, de CMS-samenwerking was gericht op het opnieuw optimaliseren van identificatie-algoritmen om prestaties te bereiken die vergelijkbaar zijn met die van pp-botsingen, ondanks de uitdagingen die gepaard gaan met de omgeving die wordt gecreëerd door Pb-Pb-botsingen. Vervolgens, ze gebruikten geavanceerde algoritmen voor machine learning, die veelbelovende hulpmiddelen zijn voor de analyse van gegevens die door de LHC zijn verzameld.

Opmerkelijk, de CMS-samenwerking was de eerste die metingen verzamelde die top-quarksignalen extraheren op basis van alleen lepton-informatie. In aanvulling, ze gebruikten een nieuwe analysetechniek die volledig wordt aangedreven door gegevens om achtergrondinformatie zorgvuldig in te schatten.

"Om elke menselijke vooringenomenheid te vermijden, onze studie is opgezet volgens een zogenaamde 'blinde' analyseprocedure, waarbij de selectiecriteria eerst werden geoptimaliseerd en vastgesteld met slechts een klein aanvankelijk deel van de gegevens, alvorens te worden toegepast op de volledige dataset, " zei Giammanco. "Uiteindelijk, de overeenstemming van de resultaten van de twee benaderingen tussen hen, met de snelheid geëxtrapoleerd van p-p botsingen, en met de theoretische verwachting, gaf ons vertrouwen in het eerste concrete bewijs voor de productie van top-quarks bij kern-kernbotsingen. Cruciaal voor dit succesvolle resultaat was ook de nauwkeurige schatting van de werkelijke lichtsterkte, een taak die ons team, met de hulp van de CMS-luminosity-groep, met hoge prioriteit uitgevoerd, te."

Voorafgaand aan deze recente studie, de LHC had metingen mogelijk gemaakt van verschillende elementaire deeltjes met grote massa's in zware ionenbotsingen, zoals massieve dragers van de elektrozwakke kracht (d.w.z. W- en Z-bosonen). Niettemin, er was een gebrek aan bewijs voor de productie van top-quarks bij zware ionenbotsingen, zelfs als theoretische voorspellingen suggereerden dat ze in een voldoende hoog tempo werden geproduceerd. Naast het verzamelen van het eerste bewijs van de productie van top-quarks bij kern-kernbotsingen, de recente studie van de CMS-samenwerking heeft een botsingssnelheid gemeten die is afgestemd op theoretische voorspellingen.

"Werkelijk, onze gemeenschap had nog nooit de kans gehad om een ​​dergelijk energieregime (of 'energieschaal') dicht bij de top-quarkmassa te onderzoeken, de theorie die nucleonen in kernen samenbindt, genaamd de 'sterke kracht, "onder strenge tests, "Georgios K. Krintiras, co-coördinator van de Luminosity Group van de CMS-samenwerking, vertelde Phys.org. "Bovendien, tot nu toe gebruikte natuurkundige processen, bijvoorbeeld, de productie van de W- en Z-bosonen en lichtdeeltjes, de fotonen, zijn alleen gevoelig voor de eigenschappen van QGP geïntegreerd gedurende zijn extreem korte levensduur (slechts een fractie van een seconde, in technische termen, ongeveer seconden). onze krant, het opvolgen van recente theoretische overwegingen voor het onthullen van de yoctoseconde-structuur van QGP, is slechts de eerste stap in het gebruik van de top-quark om belangrijke nieuwe inzichten te verschaffen in de tijdstructuur van het medium dat ontstaat bij zware ionenbotsingen."

De analyses die door de CMS-samenwerking in deze recente studie zijn uitgevoerd, wijken af ​​van gevestigde onderzoeksbenaderingen en zouden dus nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor het onderzoeken van de tijdsdimensie van QGP. Dit zou uiteindelijk zijn bestaan ​​kunnen bewijzen door 's werelds kortste film van zijn ontwikkeling samen te stellen.

"De uitzonderlijk hoge massa van top-quarks die we hebben geïdentificeerd, vormt een nieuwe schaal voor het onderzoeken van de binnenstructuur van de kernen, gecodeerd in de zogenaamde nucleaire partonverdelingsfuncties (nPDF's), "Zei Krintiras. "Onze huidige kennis van hoe nucleonen zich in een kern gedragen, is beperkt, vooral vanwege het gebrek aan gegevens op die schaal."

Nucleonen bestaan ​​uit drie fundamentele deeltjes die quarks worden genoemd. De interacties tussen deze quarks, die worden gemedieerd door een andere klasse deeltjes die bekend staan ​​als gluonen, zijn zo intens dat theoretisch, geen enkele externe kracht mag hun gedrag beïnvloeden, zelfs niet de sterke krachten tussen verschillende deeltjes in een kern.

Onderzoek uitgevoerd bij CERN in de jaren '80 onthulde dat nucleonen die in kernen zijn gebonden zich meestal anders gedragen dan vrije, een bevinding die werd bevestigd door tal van latere studies. In dit eerdere onderzoek de European Muon Collaboration (EMC) onderzocht de verhouding van gegevens die ze verzamelden over per-nucleon muonverstrooiing van ijzer en vergeleek deze met die met betrekking tot de veel kleinere kern van deuterium, verrassende resultaten behaalden die niet overeenkwamen met hun voorspellingen. evenzo, onderzoekers van de LHC onderzoeken de verhouding tussen de metingen die worden uitgevoerd tijdens Pb-Pb-botsingen, vergelijken met die verzameld tijdens pp-botsingen.

"In deze context, de top-quark vormt een theoretisch nauwkeurige sonde van de gluon-nPDF's op een slecht onderzochte schaal, " legde Krintiras uit. "Precieze kennis van nPDF's is ook een belangrijke voorwaarde om gedetailleerde informatie over QGP-eigenschappen uit de experimentele gegevens te halen."

Het recente werk van de CMS-samenwerking zou ook belangrijke implicaties kunnen hebben voor het begrip en het zoeken naar nieuwe fysica. Hoewel de onderzoeksgemeenschappen die de interacties van zware ionen en nieuwe fysica onderzoeken, doorgaans niets met elkaar te maken hebben, dit eerste bewijs voor de productie van top-quarks in interacties van zware ionen heeft de weg vrijgemaakt voor een samenwerking tussen deze twee natuurkundige gemeenschappen.

"Deze zoektocht heeft me geïnspireerd om de krachten te bundelen met collega's die gespecialiseerd zijn in nieuwe fysica, om zo'n zoekopdracht voor te stellen die zou profiteren van de unieke kenmerken van zware ionenbotsingen, en dat zou in de toekomst mogelijk kunnen worden met speciale zware ionenruns, " Giammanco zei. "Twee jaar geleden, we hebben een speciale workshop georganiseerd, genaamd "Zware ionen en verborgen sectoren, " waarvoor we de meeste mensen hebben uitgenodigd die actief zijn in de minuscule niche van nieuwe natuurkundige zoekopdrachten in zware ionen, maar ook experts op het gebied van zware ionen die nog nooit aan nieuwe fysica hadden gewerkt, nieuwe natuurkundige experts die nog nooit met zware ionen hadden gewerkt, en LHC-versnellerexperts, zodat ze ons kunnen begeleiden bij wat mogelijk haalbaar is in termen van prestaties van zware ionenbundels in toekomstige LHC-runs."

Sommige van de geavanceerde algoritmen die de CMS-samenwerking heeft ontwikkeld om deze zoekopdracht uit te voeren, worden nu gebruikt als argument binnen de onderzoeksgemeenschap die op zoek is naar nieuwe fysica. Specifieker, het wordt momenteel gebruikt om aan te tonen dat enkele van de fundamentele beperkingen of uitdagingen die gepaard gaan met het zoeken naar nieuwe fysica kunnen worden overwonnen.

In hun toekomstige werk, de CMS-samenwerking is van plan voort te bouwen op hun recente bevindingen om aanvullende zoekopdrachten uit te voeren naar topquarks in zware ionenbotsingen. Bovendien, het team wil de effectiviteit van hun experimentele methoden en algoritmen verder verbeteren.

"In onze krant de zogenaamde 'waargenomen statistische significantie' van het signaal bedraagt ​​4,0 eenheden 'standaarddeviaties' (σ), voor beide methoden "Zei Krintiras. "Met andere woorden, als er geen top-quarks zijn geproduceerd, er zou nog steeds een kans van 0,003% zijn (dat is het 4σ-niveau) dat het signaal zou voortkomen uit een achtergrondfluctuatie. We willen deze kans verder verkleinen, het bereiken van de hogere drempel van 5σ die wordt beschouwd als de standaard voor het verklaren van observatie in onze gemeenschap."

Om de waargenomen statistische significantie van het gedetecteerde signaal te verbeteren en de betrouwbaarheid van hun bevindingen te vergroten, de onderzoekers zullen in hun zoektocht eerst de helderheid moeten verhogen. In feite, zelfs als ze in lijn zijn met theoretische voorspellingen, de waarden van de botsingsfrequentie die in hun recente paper zijn geëxtraheerd, zijn iets lager dan de verwachte waarden. Het verhogen van de statistische significantie zou kunnen helpen om te bepalen of dit lagere percentage het gevolg is van willekeurige fluctuaties of wijst op een onderliggende systematische trend.

"Ondanks de toenemende belangstelling voor analyses rond nPDF's, we zijn nog verre van het bereiken van een gedetailleerd begrip van de wijzigingen in de interne structuur in gebonden kernen, "Zei Krintiras. "De LHC-nucleaire gegevens worden aangekondigd als een game-changer, omdat ze de mogelijkheid bieden voor een nauwkeurig formalisme van nPDF's voor de hoofdkern, inclusief vooruitgang in onze kennis over gebonden gluonen uit metingen van top-quarks. We kunnen zelfs extra runs voorzien bij LHC met een hogere bruikbare helderheid die de kans vergroot om een ​​of meer lichtere kernen dan lood te laten botsen, dus het overbruggen van de momenteel grote kloof."

Er is ook een complementariteit tussen de natuurkundeprogramma's bij LHC en de geplande Electron-Ion Collider (EIC) in het Brookhaven-laboratorium, het beantwoorden van de cruciale vraag of nPDF's functies zijn met universele toepasbaarheid. Samen, deze inspanningen zullen naar verwachting met precisie onthullen wat de rangschikking is van de quarks en gluonen waaruit de protonen en neutronen van kernen bestaan.

"Met het grootste deel van de totale helderheid van het LHC Pb-Pb-programma dat nog moet worden opgenomen in het volgende decennium en veelbelovende prestatieprojecties voor de toekomstige upgrade van de LHC met hoge helderheid, of zelfs toekomst, krachtiger, botsers, ook aanbevolen door de recente update van de Europese strategie voor deeltjesfysica, waarneembare top-quarks zullen met steeds grotere precisie worden gemeten en zelfs een nauwkeurige sonde van de QGP worden, "Krintiras voegde eraan toe. "Dit zou zijn bestaan ​​​​kunnen bewijzen en het samenstellen van 's werelds kortste film mogelijk maken, en nog meer, met een extreem hoge resolutie."

© 2021 Science X Network