Das CMS-Experiment sah Spuren der Top-Quark-Produktion in Kollisionen ultrarelativistischer Bleikerne am Large Hadron Collider mit einer statistischen Genauigkeit von 4 σ. Früher wurde die Geburt dieses schwersten Elementarteilchens nur bei Proton-Proton- und Proton-Kern-Kollisionen beobachtet. Bei Kern-Kern-Kollisionen erzeugte Top-Quarks sollen Physikern helfen, die Entwicklung des Quark-Gluon-Plasmas im Laufe der Zeit zu beobachten und seine Eigenschaften besser zu studieren. Die Ergebnisse werden im Preprint des Artikels veröffentlicht und kürzlich zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review Letters angenommen.
Das Top-Quark ist ein Quark der dritten Generation, das schwerste der sechs Quarks und im Prinzip auch das schwerste bekannte Elementarteilchen. Es wurde erstmals vor 25 Jahren am Tevatron in Fermilab bei Kollisionen von Proton-Antiproton-Paaren entdeckt, wo später seine Haupteigenschaften untersucht wurden. Nach den Vorhersagen des Standardmodells beträgt die Lebensdauer des Top-Quarks nur 5 × 10-25 Sekunden, was eine Größenordnung kürzer ist als die charakteristische starke Wechselwirkungszeit. Dank dieser Eigenschaft ist es nicht hadronisiert (im Gegensatz zu allen anderen Quarks), was es zu einem idealen Teilchen macht, um die Materie, in der es gebildet wird, zu untersuchen.
Partikelmassenverteilung im Standardmodell. Blau - Leptonen, Gelb - Quarks, Grün - Bosonen.
Am Large Hadron Collider wurde das Top-Quark bereits bei Proton-Proton- und Proton-Kern-Kollisionen beobachtet, aber dieses Teilchen ist für Physiker bei Kern-Kern-Kollisionen von besonderem Interesse. In ihnen wird Quark-Gluon-Plasma untersucht - ein Zustand stark wechselwirkender Materie, in dem sich Quarks und Gluonen wie einschlussfreie Quasiteilchen verhalten, wie Elektronen und Ionen in gewöhnlichem Plasma. Es wird angenommen, dass das Universum auf Zeitskalen bis zu Mikrosekunden nach dem Urknall vollständig aus Quark-Gluon-Plasma bestand, weshalb es für Physiker besonders wichtig ist zu verstehen, wie sich dieser Materiezustand im Laufe der Zeit entwickelt.
Es gibt bereits eine Reihe von Methoden zur Untersuchung von Quark-Gluon-Plasma, dessen kleinste "Tropfen" bei Kollisionen ultrarelativistischer Kerne an Collidern entstehen. Zum Beispiel wird es durch die Abnahme der Energie von Jets beobachtet, die es durchqueren - Jets von Teilchen, die während der Hadronisierung von Quarks und Gluonen erzeugt werden. Auch Quark-Gluon-Plasma kann durch Unterdrückung der Quarkonia-Produktion beobachtet werden, aber beide Methoden geben nur ihre über einen langen Zeitraum gemittelten Eigenschaften wieder, da die Zeit der darin ablaufenden Prozesse mit der Lebensdauer eines Quarks vergleichbar ist -Gluonplasma. Und die Lebensdauer des Top-Quarks ist extrem kurz, daher ist es aufgrund der Wechselwirkung seiner Zerfallsprodukte mit dem Quark-Gluon-Plasma zu verschiedenen Zeitpunkten seiner Existenz möglich, ein vollständigeres Bild seiner zeitlichen Entwicklung zu erstellen. Über die Möglichkeiten einer solchen Methode berichtete zuvor einer der Wissenschaftler am CERN in einer theoretischen Studie.
Schematische Darstellung der Möglichkeiten, die Entwicklung eines Quark-Gluon-Plasmas durch seine Wechselwirkung mit Top-Quark-Zerfallsprodukten unter Berücksichtigung von Zeitskalen zu beobachten.
Dies macht das Ergebnis des CMS-Experiments besonders wichtig, in dessen Rahmen Physiker bei Kollisionen ultrarelativistischer Bleikerne mit einer Energie von 5,02 Teraelektronenvolt pro Nukleon-Nukleon-Paar Spuren der Bildung von Top-Quarks sahen. Der Produktionsquerschnitt wurde mit zwei Methoden betrachtet: Bei der ersten beobachteten die Wissenschaftler im Endzustand nur Paare von Leptonen mit entgegengesetzter Ladung (Elektronen und Myonen), bei der zweiten berücksichtigten sie auch die Anwesenheit eines reizenden Quarks in der Zerfall von Jets durch Hadronisierung. Im ersten Fall betrug der erhaltene Querschnitt 2,5 ± 0,8 Mikrobarn, im zweiten - 2,0 ± 0,7 Mikrobarn, was mit den Vorhersagen der Quantenchromodynamik und den Ergebnissen von Experimenten mit Proton-Proton-Kollisionen vergleichbar ist.
Experimentell erhaltene (schwarze Punkte) und angenommene Anzahl registrierter Ereignisse aus der Produktion eines Paares von Top-Quark und Top-Antiquark (rote Füllung) und anderen Hintergrundprozessen.
Es ist wichtig anzumerken, dass die gesammelten Daten noch nicht die statistische Genauigkeit von 5 erreicht haben, die erforderlich ist, um die Beobachtung des Top-Quarks bei Kern-Kern-Kollisionen zu bestätigen: Bisher ist es Wissenschaftlern gelungen, Statistiken für 4 σ zu sammeln. Dennoch liegt die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei dem erhaltenen Ergebnis nur um eine statistische Schwankung handelt, nicht über 0,003 Prozent, und CMS sieht in diesem Ergebnis eine überzeugende Demonstration der Fähigkeiten des Detektors zum Nachweis eines Top-Quarks. Physiker sind auch zuversichtlich, dass die Daten zur Entstehung dieses Teilchens bei Kern-Kern-Kollisionen genutzt werden, um mit seiner Hilfe das Quark-Gluon-Plasma zu untersuchen.
Obwohl normalerweise schwere Kerne zur Herstellung von Quark-Gluon-Plasma verwendet werden, kann es auch bei Proton-Proton-Kollisionen entstehen: Dies wurde durch einen Überschuss an Teilchen mit einem seltsamen Quark im ALICE-Experiment angezeigt. Über weitere aktuelle Ergebnisse des Large Hadron Colliders berichten wir im Thema „Zweite Saison des Colliders“.
