Revolutionerande upptäckt: Forskare hittar toponium vid LHC!

Revolutionerande upptäckt: Forskare hittar toponium vid LHC!

Forskare från Hamburgs universitet och DESY har gjort banbrytande framsteg inom partikelfysik genom att hitta bevis på partikeltoponium. Toponium uppstår från ett bundet tillstånd mellan en toppkvark och dess antipartikel, anti-toppkvarken. Denna upptäckt skulle kunna ge avgörande nya insikter i all materias grundläggande struktur.

Framgången möjliggjordes av signaler erhållna i två experiment Stor Hadron Collider (LHC) av CERN identifierades. Toppkvarken, den tyngsta kända elementarpartikeln, sönderfaller på mindre än en kvadrilliondels sekund, vilket understryker vad som ansågs vara ett extremt utmanande antagande att observera bundna tillstånd. Hittills var åsikten att ett sådant tillstånd inte kunde detekteras med antipartikeln, men nya data skakar denna uppfattning.

Upptäckt i experiment

Upptäckten av toponium gjordes oberoende i CMS- och ATLAS-experimenten vid LHC. Enligt forskarna uppmättes en större mängd toppkvarkar med låg kinetisk energi, vilket möjliggör bildandet av toponium. De första indikationerna på toponium fanns redan i CMS-experimentet 2016, vilket förstärktes med ytterligare data från 2017 och 2018. ATLAS kunde bekräfta kopplingen med hjälp av sina egna data, vilket ytterligare understryker resultatens relevans.

Laurids Jeppe, doktorand vid universitetet i Hamburg, betonar att precisionen som uppnås vid mätning av sällsynta processer är anmärkningsvärd. De uppnådda resultaten genomfördes vid högenergifysikkonferensen i European Physical Society.

Dessutom avslöjar analyserna av CMS-experimentet en oväntad egenskap i beteendet hos toppkvarkar. Denna observation antyder att toppkvarkar kortvarigt bildar ett "kvasibundet tillstånd" med sina antipartiklar, kallat toponium. Denna upptäckt är inte bara överraskande, utan kan också förebåda nya partiklar som testar gränserna för den nuvarande standardmodellen för partikelfysik.

Mått och deras betydelse

CMS-experimentet fann att produktionstvärsnittet för överskottet av toppkvark-antikvarkpar var 8,8 picobarns (pb), med en osäkerhet på 1,3 pb, vilket uppnådde en "fem sigma"-nivå av förtroende. ATLAS-samarbetet fann att samma effekter bekräftades i de övergripande LHC Run-2-data, som mätte produktionstvärsnittet till 9,0±1,3 pb och exkluderade signifikanta modeller som ignorerar bildandet av ett kvasibundet tillstånd.

En alternativ förklaringsmodell skulle kunna innebära förekomsten av en ny partikel med en massa nära två gånger massan av toppkvarken. För att entydigt tolka fenomenen krävs dock exakt modellering av beteendet hos kvarkar och gluoner vid högenergikollisioner.

Upptäckten av Toponium skulle inte bara utöka förståelsen av Quarkonia, utan också styra forskningslandskapet till nya sätt att studera den starka interaktionen. Dessa formationer av tunga kvark-antikvarkpar representerar redan de tidigare upptäckterna av charmonian och bottomonian på 1970-talet, och den pågående tredje fasen av LHC förväntas ge ytterligare data för att ytterligare utforska toppkvark-antikvarkinteraktioner.