Resultatet av nyligen genomförd forskning från CMS-samarbetet öppnar vägen för att på ett nytt och unikt sätt studera ett extremt tillstånd av materia som tros ha existerat strax efter Big Bang. Samarbetet har sett bevis på toppkvarkar i kollisioner mellan tunga kärnor vid Large Hadron Collider (LHC).

Det är inte första gången den här speciella partikeln - den tyngsta kända elementarpartikeln - har dykt upp vid partikelkolliderare. Toppkvarken observerades först i proton-antiprotonkollisioner vid Tevatron-kollideren för 25 år sedan, och har sedan dess upptäckts och studerats i proton–proton- och proton–kärnakollisioner vid LHC. Men det nya fyndet, beskrivs i en tidning som just godkänts för publicering i Fysiska granskningsbrev , kommer säkert att reta upp både experimentalister och teoretiker, för analys av toppkvarkar i kollisioner med tunga kärnor erbjuder ett nytt och unikt sätt att studera kvark-gluonplasman som bildas vid dessa kollisioner och som tros ha funnits i universums tidiga ögonblick. Dessutom, sådan analys skulle kunna kasta nytt ljus över arrangemanget av kvarkar och gluoner inuti tunga kärnor.

Det råder inte precis brist på partiklar, eller sonder, för att undersöka kvark-gluonplasman. LHC-experimenten har länge använt flera typer av partiklar för att studera egenskaperna hos detta extrema materiatillstånd, där kvarkar och gluoner inte är inneslutna i kompositpartiklar utan istället strövar omkring som partiklar i en vätska med litet friktionsmotstånd. Men alla befintliga sonder ger tidsgenomsnittlig information om plasman. Däremot toppkvarken, på grund av det speciella sätt på vilket den förvandlas, eller sönderfaller till andra partiklar, kan ge ögonblicksbilder av plasmat vid olika tidpunkter av dess livstid.

"Snabbare rörliga toppkvarkar ger ögonblicksbilder senare. Genom att sammanställa ögonblicksbilder tagna med toppkvarkar i en rad olika hastigheter, vi hoppas att det så småningom kommer att vara möjligt att skapa en film om kvarg-gluonplasmans utveckling, " förklarar den CERN-baserade forskaren Guilherme Milhano, som var medförfattare till en teoretisk studie om att sondera kvark-gluonplasman med toppkvarkar. "Det nya CMS-resultatet representerar det allra första steget på den vägen."

CMS-samarbetet såg bevis på toppkvarkar i ett stort dataprov från bly-bly-kollisioner vid en energi på 5,02 TeV. Teamet sökte efter kollisioner som producerade en toppkvark och en toppantikvark. Dessa kvarkar sönderfaller mycket snabbt till en W-boson och en bottenkvark, som i sin tur också sönderfaller mycket snabbt till andra partiklar. CMS-fysikerna letade efter det speciella fallet där de slutliga sönderfallsprodukterna är laddade leptoner (elektroner eller deras tyngre kusiner muoner) och "strålar" av flera partiklar som härrör från bottenkvarkar.

Efter att ha isolerat och räknat dessa topp-antitopkollisionshändelser, CMS uppskattade sannolikheten för kollisioner med bly och bly för att producera topp-antitoppar via laddade leptoner och bottenkvarkar. Resultatet har en statistisk signifikans av cirka fyra standardavvikelser, så det passerar ännu inte tröskeln på fem standardavvikelser som krävs för att göra anspråk på observation av produktion av toppkvark. Men det representerar betydande bevis på processen - det finns bara en 0,003% chans att resultatet är en statistisk slump. Vad mer, resultatet överensstämmer med teoretiska förutsägelser, samt med extrapolationer från tidigare mätningar av sannolikheten vid proton–protonkollisioner vid samma kollisionsenergi.

"Vårt resultat visar CMS-experimentets förmåga att utföra toppkvarkstudier i den komplexa miljön av kollisioner med tunga kärnor, " säger CMS fysiker Georgios Krintiras, en postdoktor vid University of Kansas, "och det är den första språngbrädan i att använda toppkvarken som en ny och kraftfull sond av kvark-gluonplasman."