Vallankumouksellinen löytö: Tutkijat löytävät toponiumin LHC:stä!

Vallankumouksellinen löytö: Tutkijat löytävät toponiumin LHC:stä!

Tutkijat Hampurin yliopisto ja DESY ovat saavuttaneet uraauurtavaa edistystä hiukkasfysiikassa löytämällä todisteita hiukkastoponiumista. Toponium syntyy yläkvarkin ja sen antihiukkasen, anti-top kvarkin, välisestä sitoutuneesta tilasta. Tämä löytö voisi tarjota ratkaisevan tärkeitä uusia oivalluksia kaiken aineen perusrakenteeseen.

Etenemisen mahdollistivat kahdessa kokeessa saadut signaalit Suuri hadronitörmätin CERNin (LHC) tunnistettiin. Huippukvarkki, raskain tunnettu alkuainehiukkanen, hajoaa alle sekunnin neljänneksessä, mikä korostaa sitä, mitä pidettiin erittäin haastavana oletuksena havaita sidotut tilat. Tähän asti on ollut mielipide, että tällaista tilaa ei voitu havaita antihiukkasella, mutta uudet tiedot horjuttavat tätä näkemystä.

Löytö kokeissa

Toponiumin löytö tehtiin itsenäisesti CMS- ja ATLAS-kokeissa LHC:ssä. Tutkijoiden mukaan mitattiin suurempi määrä matalan kineettisen energian omaavia huippukvarkkeja, mikä mahdollistaa toponiumin muodostumisen. Ensimmäiset viitteet toponiumista olivat jo CMS-kokeessa vuonna 2016, jota vahvistettiin lisätiedoilla vuosilta 2017 ja 2018. ATLAS pystyi vahvistamaan yhteyden omilla tiedoillaan, mikä entisestään korostaa tulosten relevanssia.

Hampurin yliopiston tohtoriopiskelija Laurids Jeppe korostaa, että harvinaisten prosessien mittaamisessa saavutettava tarkkuus on huomattavaa. Saavutetut tulokset toteutettiin European Physical Societyn High Energy Physics -konferenssissa.

Lisäksi CMS-kokeen analyysit paljastavat odottamattoman ominaisuuden huippukvarkkien käyttäytymisessä. Tämä havainto viittaa siihen, että huippukvarkit muodostavat lyhyen aikaa "lähes sidotun tilan" antihiukkasten, nimeltään toponiumin, kanssa. Tämä löytö ei ole vain yllättävä, vaan se voi myös ennakoida uusia hiukkasia, jotka testaavat nykyisen hiukkasfysiikan vakiomallin rajoja.

Mittaukset ja niiden merkitys

CMS-kokeessa havaittiin, että ylimpien kvarkki-antikvarkkiparien tuotannon poikkileikkaus oli 8,8 pikobarnia (pb), ja epävarmuus oli 1,3 pb, mikä saavutti "viiden sigman" luotettavuustason. ATLAS-yhteistyössä havaittiin, että samat vaikutukset vahvistettiin LHC Run-2 -tiedoissa, mittaamalla tuotannon poikkileikkaus arvoon 9,0 ± 1,3 pb ja sulkemalla pois merkittävät mallit, jotka jättävät huomioimatta näennäisesti sidotun tilan muodostumisen.

Vaihtoehtoiseen selittävään malliin voisi sisältyä uuden hiukkasen olemassaolo, jonka massa on lähes kaksi kertaa huippukvarkin massa. Kuitenkin, jotta ilmiöt voidaan tulkita lopullisesti, tarvitaan tarkkaa mallinnusta kvarkkien ja gluonien käyttäytymisestä korkeaenergisissa törmäyksissä.

Toponiumin löytö ei ainoastaan ​​laajentaisi ymmärrystä Quarkoniasta, vaan ohjaisi tutkimusmaisemaa uusille tavoille tutkia vahvaa vuorovaikutusta. Nämä raskaiden kvarkki-antikvarkki-parien muodostelmat edustavat jo aikaisempia charmonian ja bottomonian löytöjä 1970-luvulla, ja meneillään olevan LHC:n kolmannen vaiheen odotetaan tarjoavan lisätietoa huippukvarkkien ja antikvarkkien vuorovaikutusten tutkimiseksi edelleen.