La collaborazione Compact Muon Solenoid (CMS), un folto gruppo di ricercatori provenienti da diversi istituti in tutto il mondo, ha recentemente raccolto le primissime prove della produzione di quark top nelle collisioni nucleo-nucleo. Il loro lavoro, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , si basava sui dati di collisione piombo-piombo raccolti dal rilevatore di particelle CMS, al Large Hadron Collider (LHC) del CERN.

Fino a qualche anno fa, quando l'LHC del CERN aveva appena iniziato a funzionare, la maggior parte dei fisici che studiano gli ioni pesanti (cioè, nuclei di grande massa che sono stati completamente privati ​​degli elettroni per scopi di accelerazione) erano scettici sulla possibilità che i quark top, le particelle elementari più pesanti conosciute fino ad oggi, potrebbe essere studiato nelle collisioni di ioni pesanti. Infatti, al tempo, non era ancora chiaro se l'LHC fosse in grado di sostenere collisioni tra ioni pesanti a un tasso di collisione sufficientemente alto, noto anche come luminosità. Recentemente, però, Gli esperti di acceleratori di LHC sono stati in grado di raggiungere questa velocità e superare gli obiettivi di luminosità iniziali per le collisioni di ioni pesanti.

Un altro motivo per cui studiare i quark top nelle collisioni di ioni pesanti sembrava meno fattibile rispetto alle collisioni protone-protone (p-p) è che quando LHC fa scontrare ioni pesanti, l'energia cinetica massima dei singoli nucleoni è considerevolmente minore dell'energia corrispondente nelle collisioni p-p. Poiché la velocità di produzione del quark top dipende in gran parte dall'energia di collisione (cioè, maggiore è l'energia, più è facile produrre quark), produrre queste particelle in collisioni di ioni pesanti basate su LHC sembrava difficile.

L'LHC è stato anche impostato per dedicare meno tempo alle collisioni di ioni pesanti e più alle collisioni p-p, riflettendo le priorità della comunità della fisica delle particelle. Ad esempio, in un anno, generalmente impiega un mese a produrre collisioni di ioni pesanti e da sei a sette mesi in collisioni p-p.

Finalmente, le collisioni di ioni pesanti producono molte più particelle rispetto a quelle p-p più comuni, che può rendere molto impegnativo il rilevamento delle particelle e l'analisi dei dati relativi agli ioni pesanti raccolti dall'LHC. Collettivamente, questi fattori hanno ostacolato e rallentato lo studio dei quark top nelle collisioni di ioni pesanti, anche se sono stati spesso identificati nelle collisioni p-p.

Cinque anni fa, ricercatori del CERN, Università di Jyväskylä, e Istituto di Fisica di Helsinki ha pubblicato le prime previsioni del tasso di produzione dei quark top nelle collisioni di ioni pesanti. Nonostante il tasso di produzione relativamente basso dell'LHC, hanno sostenuto che i quark top potrebbero aiutare a sondare il cosiddetto plasma di quark-gluoni (QGP). QGP è uno stato della materia che si ritiene sia esistito durante il primo microsecondo di vita dell'universo, che potrebbe risiedere anche nel nucleo denso delle stelle di neutroni nell'universo odierno. Questo stato della materia può essere ricreato in laboratorio facendo scontrare ioni pesanti, come il piombo (Pb).

I quark top possono essere utili sia per sondare la QGP che per studiare la distribuzione dei gluoni all'interno dei nuclei. Questi due usi, però, richiedono diversi tipi di collisioni, i primi simmetrici (es. piombo su piombo o Pb-Pb) e le seconde simmetriche e asimmetriche (es. protoni su piombo o p-Pb). LHC fa scontrare fasci sia simmetrici che asimmetrici, ma prima che potesse essere applicato a QGP e studi relativi ai gluoni, i ricercatori hanno dovuto dimostrare con un alto grado di sicurezza che i quark top possono essere effettivamente rilevati nelle collisioni nucleo-nucleo.

"Nel dicembre 2015, l'LHC ha prodotto collisioni Pb-Pb con un'energia cinetica di 2,51 TeV per nucleone, significato per la collisione nucleone-nucleone, un totale complessivo (energia del centro di massa per nucleone) di 5,02 TeV, " i membri della CMS Collaboration hanno detto a Phys.org via e-mail. "Questo è stato un grande passo avanti rispetto alla Run 1, ma la luminosità era ancora troppo limitata per lo studio dei quark top e, come menzionato prima, il tempo di esecuzione degli ioni pesanti è stato di solo un mese. Quindi in breve, quel set di dati era troppo piccolo per rivendicare prove per la produzione di quark top."

Dopo la pubblicazione del set di dati raccolto nel 2015, i ricercatori hanno effettuato una serie di studi volti a raccogliere prove della produzione di quark top nelle collisioni di ioni pesanti. Primo, hanno misurato la produzione di quark top in un piccolo campione p-p di riferimento prelevato nel 2015 alla stessa energia del centro di massa di 5,02 TeV, poi lo hanno misurato nelle collisioni p-Pb registrate nel 2016. In definitiva, hanno eseguito le loro analisi sulle collisioni Pb-Pb.

"Questi nuovi dati Pb-Pb sono stati accumulati proprio alla fine della corsa 2, nel 2018, grazie all'ingegno dei nostri colleghi acceleratori, che ha introdotto miglioramenti nella catena dalla sorgente di ioni Pb fino a LHC, e la capacità dell'esperimento CMS di registrare su nastro, l'intera quantità di dati sugli ioni pesanti forniti da LHC, " hanno spiegato i membri della collaborazione CMS. "Nel complesso, ciò ha comportato una luminosità totale accumulata circa quattro volte maggiore rispetto al 2015. Il set di dati più ampio alla fine ha aiutato, ma da solo, non sarebbe stato sufficiente nel caso in cui non fossero stati introdotti miglioramenti nella ricostruzione dei quark top."

Nel loro recente studio, la collaborazione CMS ha combinato due approcci sperimentali:uno che è influenzato dalla presenza di QGP e uno che è agnostico ad esso. Il primo di questi metodi sfrutta la presenza di quark bottom (cioè, le versioni più leggere dei quark top). I quark bottom possono fornire indizi sulla produzione di quark top, poiché questi ultimi decadono quasi sempre nel primo. Il secondo approccio, d'altra parte, focalizzato esclusivamente sullo studio di elettroni e muoni (cioè, parenti più pesanti degli elettroni).

"Questo secondo metodo era meno sensibile, ma ha impedito una potenziale critica:abbiamo una conoscenza relativamente imprecisa, finora, di come QGP influenza il comportamento dei quark bottom, e quindi in linea di principio il primo metodo potrebbe essere influenzato da effetti ancora sconosciuti, "Andrea Giammanco, ex coordinatore del gruppo Top Quark della collaborazione CMS, ha detto a Phys.org. "Come risultato della piccolezza del segnale del quark top, lo sfondo grande (ad es. combinazioni casuali di particelle non correlate, o processi indotti da rivelatori che imitano il segnale), e la complessità della ricostruzione del quark top, l'analisi è stata progettata con alcune caratteristiche uniche."

Inizialmente, la collaborazione CMS si è concentrata sulla riottimizzazione degli algoritmi di identificazione al fine di ottenere prestazioni paragonabili a quelle ottenute su collisioni p-p, nonostante le sfide associate all'ambiente create dalle collisioni Pb-Pb. Successivamente, hanno utilizzato algoritmi avanzati di apprendimento automatico, che sono strumenti promettenti per l'analisi dei dati raccolti dall'LHC.

In particolare, la collaborazione CMS è stata la prima a raccogliere misurazioni che estraggono i segnali dei quark top in base alle sole informazioni sui leptoni. Inoltre, hanno utilizzato una nuova tecnica di analisi interamente guidata dai dati per stimare attentamente le informazioni di base.

"Per evitare ogni pregiudizio umano, il nostro studio è stato progettato seguendo una procedura di analisi cosiddetta 'cieca', per cui i criteri di selezione sono stati ottimizzati e fissati prima utilizzando solo una piccola parte iniziale dei dati, prima di essere applicato all'intero set di dati, — disse Giammanco. — Alla fine, l'accordo dei risultati dei due approcci tra loro, con il tasso estrapolato dalle collisioni p-p, e con l'aspettativa teorica, ci ha dato fiducia nelle prime prove concrete per la produzione di quark top nelle collisioni nucleo-nucleo. Fondamentale per questo esito positivo è stata anche la stima precisa della luminosità effettiva, un compito che il nostro team, con l'aiuto del gruppo di luminosità CMS, eseguita con alta priorità, pure."

Prima di questo recente studio, l'LHC aveva consentito misurazioni di varie particelle elementari con grandi masse in collisioni di ioni pesanti, come portatori massicci della forza elettrodebole (cioè, bosoni W e Z). Ciò nonostante, c'era una mancanza di prove per la produzione di quark top nelle collisioni di ioni pesanti, anche se le previsioni teoriche suggerivano che fossero prodotte a un ritmo sufficientemente alto. Oltre a raccogliere le prime prove della produzione di quark top nelle collisioni nucleo-nucleo, il recente studio della collaborazione CMS ha misurato un tasso di collisione allineato con le previsioni teoriche.

"In realtà, la nostra comunità non aveva mai avuto la possibilità di sondare un tale regime energetico (o "scala energetica") vicino alla massa di quark superiore, mettendo la teoria che lega insieme i nucleoni nei nuclei, chiamato la "forza forte, "sotto severi test, "Giorgios K. Krintiras, co-coordinatore del Luminosity Group della collaborazione CMS, ha detto a Phys.org. "Inoltre, processi fisici finora utilizzati, Per esempio, la produzione dei bosoni W e Z e delle particelle di luce, i fotoni, sono sensibili solo alle proprietà di QGP integrato durante la sua vita estremamente breve (solo una piccola frazione di secondo, in termini tecnici, circa secondi). La nostra carta, facendo seguito a recenti considerazioni teoriche per svelare la struttura in yoctosecondi di QGP, è solo il primo passo nell'uso del quark top per fornire nuove informazioni chiave sulla struttura temporale del mezzo creato nelle collisioni di ioni pesanti".

Le analisi svolte dalla collaborazione CMS in questo recente studio si discostano da approcci di ricerca consolidati e potrebbero quindi aprire nuove possibilità per indagare la dimensione temporale di QGP. Questo potrebbe alla fine dimostrare la sua esistenza assemblando il film più corto del mondo sul suo sviluppo.

"La massa eccezionalmente elevata dei quark top che abbiamo identificato stabilisce una nuova scala per sondare anche la struttura interna dei nuclei, codificati nelle cosiddette funzioni di distribuzione dei partoni nucleari (nPDF), " ha detto Krintiras. "La nostra attuale conoscenza di come si comportano i nucleoni all'interno di un nucleo è limitata, principalmente a causa della mancanza di dati su quella scala."

I nucleoni sono costituiti da tre particelle fondamentali note come quark. Le interazioni tra questi quark, che sono mediati da una diversa classe di particelle note come gluoni, sono così intensi che, teoricamente, nessuna forza esterna dovrebbe essere in grado di influenzare il loro comportamento, nemmeno le forze forti tra le diverse particelle all'interno di un nucleo.

Una ricerca condotta al CERN negli anni '80 ha rivelato che i nucleoni legati nei nuclei tendono a comportarsi in modo diverso da quelli liberi, una scoperta che è stata confermata da numerosi studi successivi. In questa ricerca passata, la European Muon Collaboration (EMC) ha studiato il rapporto dei dati raccolti sulla dispersione del muone per nucleone dal ferro e lo ha confrontato con quello relativo al nucleo molto più piccolo di deuterio, ottenendo risultati sorprendenti che non corrispondevano alle loro previsioni. Allo stesso modo, i ricercatori dell'LHC stanno studiando il rapporto tra le misurazioni effettuate durante le collisioni Pb-Pb, confrontandolo con quelli raccolti durante le collisioni p-p.

"In tale contesto, il quark top costituisce una sonda teoricamente precisa dei gluoni nPDF in una scala poco esplorata, " ha spiegato Krintiras. "La conoscenza precisa dei nPDF è anche un prerequisito chiave per estrarre informazioni dettagliate sulle proprietà QGP dai dati sperimentali".

Il recente lavoro della collaborazione CMS potrebbe anche avere importanti implicazioni per la comprensione e la ricerca di nuova fisica. Sebbene le comunità di ricerca che studiano le interazioni di ioni pesanti e la nuova fisica siano in genere indipendenti, questa prima prova per la produzione di quark top nelle interazioni di ioni pesanti ha aperto la strada a una collaborazione tra queste due comunità di fisici.

"Questa ricerca mi ha ispirato a unire le forze con colleghi specializzati in nuova fisica, proporre una tale ricerca che tragga vantaggio dalle caratteristiche uniche delle collisioni di ioni pesanti, e ciò potrebbe diventare possibile con speciali corse di ioni pesanti in futuro, — disse Giammanco. — Due anni fa, abbiamo organizzato un workshop dedicato, chiamato "Ioni pesanti e settori nascosti, " a cui abbiamo invitato la maggior parte delle persone attive nella minuscola nicchia delle nuove ricerche fisiche negli ioni pesanti, ma anche esperti di ioni pesanti che non avevano mai lavorato su una nuova fisica, nuovi esperti di fisica che non avevano mai lavorato con ioni pesanti, ed esperti di acceleratori di LHC in modo tale da poterci guidare su ciò che potrebbe essere possibile ottenere in termini di prestazioni del fascio di ioni pesanti nelle future corse di LHC".

Alcuni dei sofisticati algoritmi che la collaborazione CMS ha sviluppato per condurre questa ricerca vengono ora utilizzati come argomento all'interno della comunità di ricerca che è alla ricerca di nuova fisica. Più specificamente, è attualmente utilizzato per dimostrare che alcuni dei limiti o delle sfide fondamentali associati alla ricerca di nuova fisica possono essere superati.

Nel loro lavoro futuro, la collaborazione CMS prevede di basarsi sulle loro recenti scoperte per condurre ulteriori ricerche sui quark top nelle collisioni di ioni pesanti. Inoltre, il team vorrebbe migliorare ulteriormente l'efficacia dei propri metodi e algoritmi sperimentali.

"Nel nostro giornale, la cosiddetta 'significatività statistica osservata' del segnale ammonta a 4.0 unità di 'deviazioni standard' (σ), per entrambi i metodi, "Krintiras ha detto. "In altre parole, se non sono stati prodotti quark top, ci sarebbe ancora una probabilità dello 0,003% (che è il livello 4σ) che il segnale derivi da una fluttuazione di fondo. Vorremmo ridurre ulteriormente questa probabilità, raggiungendo la soglia più alta del 5σ che è considerata lo standard per dichiarare l'osservazione nella nostra comunità."

Per migliorare la significatività statistica osservata del segnale che hanno rilevato e aumentare l'affidabilità dei loro risultati, i ricercatori dovranno prima aumentare la luminosità nella loro ricerca. Infatti, anche se sono in linea con le previsioni teoriche, i valori del tasso di collisione estratti nel loro recente articolo sono leggermente inferiori ai valori attesi. L'aumento della significatività statistica potrebbe aiutare a determinare se questo tasso più basso è il risultato di fluttuazioni casuali o indica una tendenza sistematica sottostante.

"Nonostante il crescente interesse per le analisi che circondano i nPDF, siamo ancora lontani dal raggiungere una comprensione dettagliata delle modificazioni della struttura interna nei nuclei legati, " ha detto Krintiras. "I dati nucleari di LHC sono annunciati come un punto di svolta, poiché forniscono l'opportunità per un preciso formalismo di nPDF per il nucleo principale, compresi i progressi nelle nostre conoscenze sui gluoni legati dalle misurazioni dei quark top. Possiamo anche prevedere corse aggiuntive a LHC con una maggiore luminosità utilizzabile che offre ulteriormente la possibilità di far scontrare uno o più nuclei più leggeri del piombo, quindi colmare il divario attualmente ampio."

C'è anche una complementarità tra i programmi di fisica di LHC e il previsto Electron-Ion Collider (EIC) presso il laboratorio di Brookhaven, rispondere alla domanda cruciale se i nPDF sono funzioni con applicabilità universale. Insieme, ci si aspetta che questi sforzi rivelino con precisione quale sia la disposizione dei quark e dei gluoni che compongono i protoni ei neutroni dei nuclei.

"Con la maggior parte della luminosità totale del programma LHC Pb-Pb ancora da registrare nel prossimo decennio e proiezioni di prestazioni promettenti per il futuro aggiornamento ad alta luminosità dell'LHC, o anche futuro, più potente, collisori, raccomandato anche dal recente aggiornamento della Strategia Europea per la Fisica delle Particelle, gli osservabili di quark top saranno misurati con una precisione sempre crescente e diventeranno persino una sonda precisa del QGP, " ha aggiunto Krintiras. "Questo potrebbe dimostrare la sua esistenza e rendere possibile l'assemblaggio del film più corto del mondo, e anche di più, con una risoluzione estremamente elevata."

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