De CMS-samenwerking bij de Large Hadron Collider (LHC) heeft de meest nauwkeurige meting ooit uitgevoerd van de massa van de top-quark - het zwaarste bekende elementaire deeltje. Het laatste CMS-resultaat schat de waarde van de top-quarkmassa met een nauwkeurigheid van ongeveer 0,22%. De substantiële winst in nauwkeurigheid komt van nieuwe analysemethoden en verbeterde procedures om consistent en gelijktijdig verschillende onzekerheden in de meting te behandelen.

De precieze kennis van de top-quarkmassa is van het grootste belang om onze wereld op de kleinste schaal te begrijpen. Het is cruciaal om dit zwaarste elementaire deeltje zo goed mogelijk te kennen, omdat het de interne consistentie van de wiskundige beschrijving van alle elementaire deeltjes, het standaardmodel genoemd, kan testen.

Als bijvoorbeeld de massa's van het W-deeltje en het Higgs-deeltje nauwkeurig bekend zijn, kan de top-quarkmassa worden voorspeld door het standaardmodel. Evenzo kan met behulp van de top-quark- en Higgs-bosonmassa's de W-bosonmassa worden voorspeld. Interessant is dat, ondanks veel vooruitgang, de theoretisch-fysische definitie van massa, die te maken heeft met het effect van kwantumfysica-correcties, nog steeds moeilijk vast te stellen is voor de top-quark.

En opmerkelijk genoeg hangt onze kennis van de stabiliteit van ons universum af van onze gecombineerde kennis van de massa's van het Higgs-boson en de top-quark. We weten alleen dat het heelal heel dicht bij een metastabiele toestand is met de precisie van de huidige metingen van de top-quarkmassa. Als de massa van de top-quark ook maar iets anders zou zijn, zou het universum op de lange termijn minder stabiel zijn en mogelijk uiteindelijk verdwijnen in een gewelddadige gebeurtenis die lijkt op de oerknal.

Om hun laatste meting van de top-quarkmassa te maken, met behulp van gegevens van proton-proton LHC-botsingen verzameld door de CMS-detector in 2016, heeft het CMS-team vijf verschillende eigenschappen van botsingsgebeurtenissen gemeten waarbij een paar top-quarks wordt geproduceerd, in plaats van de maximaal drie eigenschappen die in eerdere analyses zijn gemeten. Deze eigenschappen zijn afhankelijk van de top-quarkmassa.

Bovendien voerde het team een ​​uiterst nauwkeurige kalibratie uit van de CMS-gegevens en kreeg het een diepgaand inzicht in de resterende experimentele en theoretische onzekerheden en hun onderlinge afhankelijkheden. Met deze innovatieve methode werden al deze onzekerheden ook geëxtraheerd tijdens de wiskundige fit die de uiteindelijke waarde van de top-quarkmassa bepaalt, en dit betekende dat sommige onzekerheden veel nauwkeuriger konden worden geschat. Het resultaat, 171,77±0,38 GeV, komt overeen met de eerdere metingen en de voorspelling van het standaardmodel.

De CMS-samenwerking heeft een flinke sprong voorwaarts gemaakt met deze nieuwe methode om de top-quarkmassa te meten. De geavanceerde statistische behandeling van onzekerheden en het gebruik van meer eigenschappen hebben de meting enorm verbeterd. Een andere grote stap wordt verwacht wanneer de nieuwe aanpak wordt toegepast op de uitgebreidere dataset die in 2017 en 2018 door de CMS-detector is geregistreerd. + Verder verkennen

Inspelen op de interactie van het Higgs-deeltje met de charm-quark