Revolutionaire ontdekking: onderzoekers vinden toponium bij de LHC!

Revolutionaire ontdekking: onderzoekers vinden toponium bij de LHC!

Onderzoekers van de Universiteit van Hamburg en DESY hebben baanbrekende vooruitgang geboekt in de deeltjesfysica door bewijs te vinden van het deeltje toponium. Toponium ontstaat uit een gebonden toestand tussen een top-quark en zijn antideeltje, de anti-top-quark. Deze ontdekking zou cruciale nieuwe inzichten kunnen opleveren in de fundamentele structuur van alle materie.

De vooruitgang werd mogelijk gemaakt door signalen verkregen in twee experimenten Grote Hadron-botser (LHC) van CERN werden geïdentificeerd. De top-quark, het zwaarste bekende elementaire deeltje, vervalt in minder dan een biljardste van een seconde, wat onderstreept wat als een uiterst uitdagende aanname werd beschouwd om gebonden toestanden waar te nemen. Tot nu toe was de mening dat een dergelijke toestand niet kon worden gedetecteerd met het antideeltje, maar nieuwe gegevens doen deze visie aan het wankelen komen.

Ontdekking in experimenten

De ontdekking van toponium werd onafhankelijk gedaan in de CMS- en ATLAS-experimenten bij de LHC. Volgens de onderzoekers is er een grotere hoeveelheid top-quarks met lage kinetische energie gemeten, waardoor de vorming van toponium mogelijk is. De eerste aanwijzingen voor toponium waren al aanwezig in het CMS-experiment uit 2016, dat werd versterkt met aanvullende gegevens uit 2017 en 2018. ATLAS kon het verband bevestigen met behulp van eigen gegevens, wat de relevantie van de resultaten nog eens onderstreept.

Laurids Jeppe, promovendus aan de Universiteit van Hamburg, benadrukt dat de nauwkeurigheid die wordt bereikt bij het meten van zeldzame processen opmerkelijk is. De behaalde resultaten zijn uitgevoerd op de High Energy Physics Conference van de European Physical Society.

Bovendien onthullen de analyses van het CMS-experiment een onverwachte eigenschap in het gedrag van top-quarks. Deze waarneming suggereert dat top-quarks kortstondig een ‘quasi-gebonden toestand’ vormen met hun antideeltjes, toponium genaamd. Deze ontdekking is niet alleen verrassend, maar zou ook een voorbode kunnen zijn van nieuwe deeltjes die de grenzen van het huidige standaardmodel van de deeltjesfysica op de proef stellen.

Metingen en hun betekenis

Uit het CMS-experiment bleek dat de productiedoorsnede voor het overschot aan top-quark-antiquark-paren 8,8 picobarns (pb) bedroeg, met een onzekerheid van 1,3 pb, waarmee een ‘vijf sigma’-betrouwbaarheidsniveau werd bereikt. Uit de ATLAS-samenwerking bleek dat dezelfde effecten werden bevestigd in de algemene LHC Run-2-gegevens, waarbij de productiedoorsnede werd gemeten op 9,0 ± 1,3 pb en significante modellen werden uitgesloten die de vorming van een quasi-gebonden toestand negeren.

Een alternatief verklaringsmodel zou het bestaan ​​van een nieuw deeltje kunnen omvatten met een massa die bijna tweemaal zo groot is als de massa van de top-quark. Om deze verschijnselen definitief te kunnen interpreteren is echter een nauwkeurige modellering van het gedrag van quarks en gluonen bij botsingen met hoge energie vereist.

De ontdekking van Toponium zou niet alleen het begrip van Quarkonia vergroten, maar ook het onderzoekslandschap naar nieuwe manieren leiden om de sterke interactie te bestuderen. Deze formaties van zware quark-antiquark-paren vertegenwoordigen al de eerdere ontdekkingen van charmonian en bottomonian in de jaren zeventig, en de lopende derde fase van de LHC zal naar verwachting aanvullende gegevens opleveren om de top-quark-antiquark-interacties verder te onderzoeken.