För första gången, CMS -fysiker har undersökt en effekt som kallas "körning" av toppkvarkmassan, en grundläggande kvanteffekt som förutses av standardmodellen.

Massa är ett av de mest komplexa begreppen inom grundläggande fysik, som gick igenom en lång historia av konceptuell utveckling. Mass förstods först i klassisk mekanik som ett mått på tröghet och tolkades senare i teorin om särskild relativitet som en energiform. Massa har en liknande innebörd i moderna kvantefältteorier som beskriver den subatomära världen. Standardmodellen för partikelfysik är en sådan kvantfältsteori, och den kan beskriva samspelet mellan alla kända grundpartiklar vid energierna från Large Hadron Collider.

Quantum Chromodynamics är den del av standardmodellen som beskriver samspelet mellan grundläggande beståndsdelar i kärnämne:kvarker och gluoner. Styrkan i interaktionen mellan dessa partiklar beror på en grundläggande parameter som kallas den starka kopplingskonstanten. Enligt Quantum Chromodynamics, den starka kopplingskonstanten minskar snabbt vid högre energivågor. Denna effekt kallas asymptotisk frihet, och skalutvecklingen kallas "kopplingskonstantens drift". Detsamma gäller också för kvarkmassorna, som själva kan förstås som grundläggande kopplingar, till exempel, i samband med interaktionen med Higgs -fältet. I kvantkromodynamik, driften av den starka kopplingskonstanten och kvarkmassorna kan förutsägas, och dessa förutsägelser kan testas experimentellt.

Den experimentella verifieringen av den löpande massan är ett väsentligt test av giltigheten av kvantkromodynamik. Vid energierna som undersöktes av Large Hadron Collider, effekterna av fysik utöver standardmodellen kan leda till modifieringar av massförloppet. Därför, en mätning av denna effekt är också ett sökande efter okänd fysik. Under de senaste decennierna har driften av den starka kopplingskonstanten har experimentellt verifierats för ett brett spektrum av skalor. Också, bevis hittades för att massorna med charm- och skönhetskvarkarna kördes.

Med en ny mätning, CMS Collaboration undersöker för första gången massan av de tyngsta av kvarkerna:toppkvarken. Produktionshastigheten för toppkvarkpar (en kvantitet som beror på toppkvarkmassan) mättes vid olika energivågor. Från denna mätning, toppkvarkmassan extraheras vid dessa energivågor med hjälp av teoriprognoser som förutsäger den hastighet med vilken toppkvark-antikvarkspar produceras.

Experimentellt, intressanta toppkvarkpar-kollisioner väljs genom att söka efter de specifika sönderfallsprodukterna från ett toppkvark-antikvark-par. I den överväldigande majoriteten av fallen, toppkvarker förfaller till en energisk jet och ett W boson, som i sin tur kan förfalla till en lepton och en neutrino. Jets och leptoner kan identifieras och mätas med hög precision av CMS -detektorn, medan neutriner flyr oupptäckta och avslöjar sig som saknade energi. En kollision som sannolikt är produktionen av ett toppkvark-antikvark-par som det ses i CMS-detektorn visas i figur 1. En sådan kollision förväntas innehålla en elektron, en muon, två energiska jetplan, och en stor mängd energi som saknas.

Den uppmätta körningen av den övre kvarkmassan visas i figur 2. Markörerna motsvarar de uppmätta punkterna, medan den röda linjen representerar den teoretiska förutsägelsen enligt Quantum Chromodynamics. Resultatet ger den första indikationen på giltigheten av den grundläggande kvanteffekten av körningen av toppkvarkmassan och öppnar ett nytt fönster för att testa vår förståelse av den starka interaktionen. Även om mycket mer data kommer att samlas in i de framtida LHC -körningarna som börjar med körning 3 2021, detta specifika CMS -resultat är mestadels känsligt för osäkerheter som härrör från den teoretiska kunskapen om toppkvarken i kvantkromodynamik. Att bevittna toppkvarkmassan som körs med ännu högre precision och kanske avslöja tecken på ny fysik, teoriutveckling och experimentella insatser kommer båda att vara nödvändiga. Sålänge, se den bästa kvarken springa!