Il risultato di una recente ricerca della collaborazione CMS apre la strada per studiare in modo nuovo e unico uno stato estremo della materia che si pensa sia esistito poco dopo il Big Bang. La collaborazione ha visto prove di quark top nelle collisioni tra nuclei pesanti al Large Hadron Collider (LHC).

Questa non è la prima volta che questa particella speciale, la particella elementare più pesante conosciuta, fa la sua comparsa sui collisori di particelle. Il quark top è stato osservato per la prima volta nelle collisioni protone-antiprotone al collisore Tevatron 25 anni fa, e da allora è stato individuato e studiato nelle collisioni protone-protone e protone-nucleo all'LHC. Ma la nuova scoperta, descritto in un documento appena accettato per la pubblicazione in Lettere di revisione fisica , sicuramente entusiasmerà sia sperimentali che teorici, per l'analisi dei quark top nelle collisioni di nuclei pesanti offre un modo nuovo e unico per studiare il plasma di quark-gluoni che si forma in queste collisioni e si pensa sia esistito nei primi istanti dell'universo. Inoltre, tale analisi potrebbe gettare nuova luce sulla disposizione di quark e gluoni all'interno di nuclei pesanti.

Non c'è esattamente una carenza di particelle, o sonde, con cui studiare il plasma di quark-gluoni. Gli esperimenti di LHC utilizzano da tempo diversi tipi di particelle per studiare le proprietà di questo stato estremo della materia, in cui quark e gluoni non sono confinati all'interno di particelle composite ma vagano come particelle in un liquido con una piccola resistenza all'attrito. Ma tutte le sonde esistenti forniscono informazioni sul plasma in media nel tempo. Al contrario, il quark superiore, per il modo particolare in cui si trasforma, o decade in altre particelle, può fornire istantanee del plasma in diversi momenti della sua vita.

"I quark top che si muovono più velocemente forniscono istantanee in tempi successivi. Assemblando istantanee scattate con quark top a una gamma di velocità diverse, speriamo che alla fine sarà possibile creare un film sull'evoluzione del plasma di quark-gluoni, " spiega il ricercatore del CERN Guilherme Milhano, che è stato coautore di uno studio teorico sul sondaggio del plasma di quark-gluoni con quark top. "Il nuovo risultato CMS rappresenta il primo passo su questa strada."

La collaborazione CMS ha visto prove di quark top in un ampio campione di dati da collisioni piombo-piombo a un'energia di 5,02 TeV. Il team ha cercato collisioni che producessero un quark top e un antiquark top. Questi quark decadono molto rapidamente in un bosone W e un quark bottom, che a loro volta decadono anche molto rapidamente in altre particelle. I fisici CMS hanno cercato il caso particolare in cui i prodotti finali del decadimento sono leptoni carichi (elettroni oi loro cugini più pesanti muoni) e "getti" di particelle multiple originate da quark bottom.

Dopo aver isolato e contato questi eventi di collisione top-antitop, CMS ha stimato la probabilità che le collisioni piombo-piombo producano coppie top-antitop tramite leptoni carichi e quark bottom. Il risultato ha una significatività statistica di circa quattro deviazioni standard, quindi non supera ancora la soglia di cinque deviazioni standard richiesta per dichiarare l'osservazione della produzione di quark top. Ma rappresenta una prova significativa del processo:c'è solo una probabilità dello 0,003% che il risultato sia un caso statistico. Cosa c'è di più, il risultato è coerente con le previsioni teoriche, così come con estrapolazioni da misurazioni precedenti della probabilità nelle collisioni protone-protone alla stessa energia di collisione.

"Il nostro risultato dimostra la capacità dell'esperimento CMS di eseguire studi sui quark top nel complesso ambiente di collisioni di nuclei pesanti, " dice il fisico CMS Georgios Krintiras, un ricercatore post-dottorato presso l'Università del Kansas, "ed è il primo trampolino di lancio nell'usare il quark top come una nuova e potente sonda del plasma di quark e gluoni".