Per la prima volta, I fisici CMS hanno studiato un effetto chiamato "corsa" della massa di quark top, un effetto quantistico fondamentale previsto dal Modello Standard.

La massa è uno dei concetti più complessi della fisica fondamentale, che ha attraversato una lunga storia di sviluppi concettuali. La massa è stata inizialmente intesa nella meccanica classica come misura dell'inerzia e successivamente interpretata nella teoria della relatività speciale come una forma di energia. La massa ha un significato simile nelle moderne teorie quantistiche dei campi che descrivono il mondo subatomico. Il Modello Standard della fisica delle particelle è una tale teoria quantistica dei campi, e può descrivere l'interazione di tutte le particelle fondamentali conosciute alle energie del Large Hadron Collider.

La Cromodinamica Quantistica è la parte del Modello Standard che descrive le interazioni dei costituenti fondamentali della materia nucleare:quark e gluoni. La forza dell'interazione tra queste particelle dipende da un parametro fondamentale chiamato costante di accoppiamento forte. Secondo la Cromodinamica Quantistica, la costante di accoppiamento forte diminuisce rapidamente a scale di energia più elevate. Questo effetto è chiamato libertà asintotica, e l'evoluzione della scala è indicata come "corsa della costante di accoppiamento". Lo stesso vale anche per le masse dei quark, che possono essere intesi essi stessi come accoppiamenti fondamentali, Per esempio, in connessione con l'interazione con il campo di Higgs. In Cromodinamica Quantistica, si può prevedere l'andamento della costante di accoppiamento forte e delle masse dei quark, e queste previsioni possono essere testate sperimentalmente.

La verifica sperimentale della massa in corsa è un test essenziale della validità della Cromodinamica Quantistica. Alle energie sondate dal Large Hadron Collider, gli effetti della fisica oltre il Modello Standard potrebbero portare a modifiche della corsa della massa. Perciò, una misurazione di questo effetto è anche una ricerca di fisica sconosciuta. Negli ultimi decenni, l'andamento della costante di accoppiamento forte è stato verificato sperimentalmente per un'ampia gamma di scale. Anche, sono state trovate prove per il funzionamento delle masse dei quark fascino e bellezza.

Con una nuova misura, la CMS Collaboration indaga per la prima volta l'andamento della massa del quark più pesante:il quark top. Il tasso di produzione delle coppie di quark top (una quantità che dipende dalla massa del quark top) è stato misurato su diverse scale energetiche. Da questa misura, la massa del quark top viene estratta a quelle scale energetiche usando previsioni teoriche che prevedono la velocità con cui vengono prodotte le coppie di quark top-antiquark.

Sperimentalmente, le collisioni interessanti di coppie di quark top vengono selezionate cercando i prodotti di decadimento specifici di una coppia di quark top-antiquark. Nella stragrande maggioranza dei casi, i quark top decadono in un getto energetico e un bosone W, che a sua volta può decadere in un leptone e un neutrino. Getti e leptoni possono essere identificati e misurati con alta precisione dal rivelatore CMS, mentre i neutrini sfuggono inosservati e si rivelano come energia mancante. Una collisione che è probabilmente la produzione di una coppia quark-antiquark superiore come si vede nel rivelatore CMS è mostrata nella Figura 1. Si prevede che tale collisione contenga un elettrone, un muone, due getti energetici, e una grande quantità di energia mancante.

L'andamento misurato della massa del quark top è mostrato in Figura 2. I marker corrispondono ai punti misurati, mentre la linea rossa rappresenta la previsione teorica secondo la  Cromodinamica quantistica. Il risultato fornisce la prima indicazione della validità dell'effetto quantistico fondamentale dell'andamento della massa del quark top e apre una nuova finestra per testare la nostra comprensione dell'interazione forte. Mentre molti più dati verranno raccolti nelle future corse di LHC a partire dalla 3a corsa nel 2021, questo particolare risultato CMS è per lo più sensibile alle incertezze derivanti dalla conoscenza teorica del quark top in Cromodinamica Quantistica. Per vedere la massa del quark top in esecuzione con una precisione ancora maggiore e forse svelare segni di nuova fisica, saranno necessari sia sviluppi teorici che sforzi sperimentali. Intanto, guarda il quark top correre!