The Compact Muon Solenoid (CMS) Collaboration, en stor grupp forskare från olika institut världen över, har nyligen samlat de allra första bevisen på toppkvarkproduktion vid kollisioner mellan kärnor och kärnor. Deras arbete, beskrivs i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , baserades på bly-bly kollisionsdata som samlats in av CMS-partikeldetektorn, vid CERNs Large Hadron Collider (LHC).

Fram till för några år sedan, när CERNs LHC precis hade börjat fungera, de flesta fysiker som studerar tunga joner (dvs. högmasskärnor som helt har tagits bort från elektroner i accelerationssyfte) var skeptiska till möjligheten att toppkvarkar, de tyngsta elementarpartiklarna som är kända hittills, kunde studeras vid kraftiga jonkollisioner. Faktiskt, just då, det var fortfarande oklart om LHC kunde upprätthålla kollisioner mellan tunga joner med en tillräckligt hög kollisionshastighet, även känd som ljusstyrka. Nyligen, dock, LHC-acceleratorexperter kunde uppnå denna hastighet och överträffa de initiala ljusstyrkamålen för tunga jonkollisioner.

En annan anledning till att studier av toppkvarkar i tunga jonkollisioner verkade mindre genomförbart än i proton-proton (p-p) kollisioner är att när LHC kolliderar med tunga joner, den maximala kinetiska energin för enskilda nukleoner är betydligt mindre än motsvarande energi i p-p-kollisioner. Eftersom hastigheten för produktion av toppkvark till stor del beror på kollisionsenergin (dvs. ju större energi, desto lättare är det att producera kvarkar), att producera dessa partiklar i LHC-baserade tunga jonkollisioner verkade utmanande.

LHC sattes också upp för att ägna mindre tid åt kraftiga jonkollisioner och mer åt p-p-kollisioner, som återspeglar partikelfysikgemenskapens prioriteringar. Till exempel, på ett år, den tillbringar vanligtvis en månad med att producera kraftiga jonkollisioner och sex till sju månader i p-p-kollisioner.

Till sist, kraftiga jonkollisioner producerar mycket fler partiklar än vanligare p-p, vilket kan göra det mycket utmanande att detektera partiklar och analysera tunga jonrelaterade data som samlats in av LHC. Kollektivt, dessa faktorer hindrade och bromsade studiet av toppkvarkar vid kraftiga jonkollisioner, även om de ofta identifierades vid p-p-kollisioner.

Fem år sedan, forskare vid CERN, Jyväskylä universitet, och Helsingfors fysikinstitut publicerade de första förutsägelserna om produktionshastigheten för toppkvarkar i kraftiga jonkollisioner. Trots den relativt låga produktionshastigheten för LHC, de hävdade att toppkvarkar kunde hjälpa till att undersöka den så kallade kvark-gluonplasman (QGP). QGP är ett materiatillstånd som tros ha existerat under universums första mikrosekund av livet, som också skulle kunna bo i den täta kärnan av neutronstjärnor i dagens universum. Detta tillstånd av materia kan återskapas i laboratoriemiljöer genom att kollidera med tunga joner, såsom bly (Pb).

Toppkvarkar kan vara användbara både för att sondera QGP och för att studera fördelningen av gluoner inom kärnor. Dessa två användningsområden, dock, kräver olika typer av kollisioner, de tidigare symmetriska (t.ex. bly på bly eller Pb-Pb) och de senare symmetriska och asymmetriska (t.ex. protoner på bly eller p-Pb). LHC kolliderar med både symmetriska och asymmetriska strålar, men innan det kunde tillämpas på QGP och gluonrelaterade studier, forskare var tvungna att bevisa med hög grad av tillförsikt att toppkvarkar faktiskt kan upptäckas vid kollisioner mellan kärna och kärna.

"I december 2015, LHC levererade Pb-Pb-kollisioner med en kinetisk energi på 2,51 TeV per nukleon, betydelse för nukleon-nukleonkollisionen, en totalsumma (massacentrumenergi per nukleon) på 5,02 TeV, " medlemmar i CMS Collaboration berättade för Phys.org via e-post. "Detta var ett stort steg över körning 1, men ljusstyrkan var fortfarande för begränsad för toppkvarkstudiesyften och, som tidigare nämnts, körtiden för tunga joner var bara en månad. Så kort sagt, den datauppsättningen var för liten för att hävda bevis för toppkvarkproduktion."

Efter att datamängden som samlades in 2015 släpptes, forskarna genomförde en serie studier som syftade till att samla bevis på toppkvarkproduktion vid kraftiga jonkollisioner. Först, de mätte toppkvarkproduktionen i ett litet referens-p-p-prov taget 2015 vid samma masscentrumenergi på 5,02 TeV, sedan mätte de det i p-Pb-kollisioner som registrerades 2016. I slutändan, de utförde sina analyser på Pb-Pb-kollisioner.

"Dessa nya Pb-Pb-data ackumulerades i slutet av körning 2, under 2018, tack vare uppfinningsrikedomen hos våra acceleratorkollegor, som introducerade förbättringar i kedjan från Pb-jonkällan ner till LHC, och CMS-experimentets förmåga att spela in på band, hela mängden tunga jondata som levereras av LHC, " förklarade medlemmar i CMS Collaboration. "Sammantaget, detta resulterade i en total ackumulerad ljusstyrka ungefär fyra gånger större än 2015. Den större datamängden hjälpte så småningom, men i sig själv, det skulle inte ha varit tillräckligt om inga förbättringar av återuppbyggnaden av toppkvark infördes."

I deras senaste studie, CMS-samarbetet kombinerade två experimentella tillvägagångssätt:en som påverkas av närvaron av QGP och en som är agnostisk mot det. Den första av dessa metoder utnyttjar närvaron av bottenkvarkar (dvs. de lättare versionerna av toppkvarkar). Bottenkvarkar kan ge tips om toppkvarkar, eftersom det senare nästan alltid förfaller till det förra. Det andra tillvägagångssättet, å andra sidan, fokuserade uteslutande på studiet av elektroner och myoner (dvs. tyngre släktingar till elektroner).

"Denna andra metoden var mindre känslig, men det förhindrade en potentiell kritik:Vi har en relativt oprecis kunskap, än så länge, om hur QGP påverkar beteendet hos bottenkvarkar, och så i princip, den första metoden kan vara partisk av fortfarande okända effekter, " Andrea Giammanco, tidigare koordinator för Top Quark-gruppen för CMS-samarbetet, berättade för Phys.org. "Som ett resultat av att toppkvarksignalen är liten, den stora bakgrunden (t.ex. slumpmässiga kombinationer av orelaterade partiklar, eller detektorinducerade processer som efterliknar signalen), och komplexiteten i återuppbyggnad av toppkvark, analysen utformades med några unika funktioner."

Initialt, CMS-samarbetet fokuserade på att omoptimera identifieringsalgoritmer för att uppnå prestanda jämförbara med dem som uppnåddes vid p-p-kollisioner, trots de utmaningar som är förknippade med miljön som skapas av Pb-Pb-kollisioner. Senare, de använde avancerade maskininlärningsalgoritmer, som är lovande verktyg för analys av data som samlats in av LHC.

I synnerhet, CMS-samarbetet var det första som samlade in mätningar som extraherar toppkvarksignaler baserat enbart på leptoninformation. Dessutom, de använde en ny analysteknik som helt och hållet drivs av data för att noggrant uppskatta bakgrundsinformation.

"För att undvika mänsklig fördom, vår studie utformades efter en så kallad "blind" analysprocedur, varvid urvalskriterierna optimerades och fixades först med endast en liten initial del av data, innan den tillämpas på hela datamängden, " sa Giammanco. "Till slut, överensstämmelse mellan resultaten från de två tillvägagångssätten, med hastigheten extrapolerad från p-p-kollisioner, och med den teoretiska förväntan, gav oss förtroende för de första konkreta bevisen för produktionen av toppkvarkar vid kollisioner mellan kärnor och kärnor. Avgörande för detta framgångsrika resultat har också varit den exakta uppskattningen av den faktiska ljusstyrkan, en uppgift som vårt team, med hjälp av CMS luminosity group, utförs med hög prioritet, för."

Före denna nyligen genomförda studie, LHC hade möjliggjort mätningar av olika elementarpartiklar med stora massor i kraftiga jonkollisioner, såsom massiva bärare av den elektrosvaga kraften (dvs. W och Z bosoner). Ändå, det saknades bevis för toppkvarkproduktion vid kraftiga jonkollisioner, även om teoretiska förutsägelser antydde att de producerades i en tillräckligt hög hastighet. Förutom att samla de första bevisen på toppkvarkproduktion vid kollisioner mellan kärna och kärna, den nyligen genomförda studien av CMS-samarbetet mätte en kollisionsfrekvens som är i linje med teoretiska förutsägelser.

"Faktiskt, vårt samhälle hade aldrig tidigare haft chansen att undersöka en sådan energiregim (eller "energiskala") nära den översta kvarkmassan, sätta teorin som binder samman nukleoner i kärnor, kallas "den starka kraften", "under stränga tester, " Georgios K. Krintiras, samordnare för Luminosity Group för CMS-samarbetet, berättade för Phys.org. "Dessutom, fysikprocesser som hittills använts, till exempel, produktionen av W- och Z-bosonerna och ljuspartiklar, fotoner, är endast känsliga för egenskaperna hos QGP integrerad under dess extremt korta livslängd (bara en liten bråkdel av en sekund, i tekniska termer, cirka sekunder). Vår tidning, uppföljning av nyare teoriöverväganden för att avslöja QGPs yoktsekundstruktur, är bara det första steget i att använda toppkvarken för att ge nya nyckelinsikter om tidsstrukturen hos mediet som skapas i kraftiga jonkollisioner."

De analyser som CMS-samarbetet genomfört i denna färska studie avviker från väletablerade forskningsansatser och skulle därmed kunna öppna nya möjligheter för att undersöka tidsdimensionen av QGP. Detta kan i slutändan bevisa dess existens genom att sammanställa världens kortaste film om dess utveckling.

"Den exceptionellt höga massan av toppkvarkar vi identifierade sätter en ny skala för att undersöka kärnornas inre struktur också, kodade i de så kallade nuclear parton distribution functions (nPDFs), ", sa Krintiras. "Vår nuvarande kunskap om hur nukleoner beter sig inuti en kärna är begränsad, främst på grund av bristen på data i den skalan."

Nukleoner består av tre grundläggande partiklar som kallas kvarkar. Samspelet mellan dessa kvarkar, som förmedlas av en annan klass av partiklar som kallas gluoner, är så intensiva att teoretiskt sett, ingen yttre kraft ska kunna påverka deras beteende, inte ens de starka krafterna mellan olika partiklar inuti en kärna.

Forskning utförd vid CERN på 80-talet visade att nukleoner bundna i kärnor tenderar att bete sig annorlunda än de som är fria, ett fynd som bekräftades av flera efterföljande studier. I denna tidigare forskning, European Muon Collaboration (EMC) undersökte förhållandet mellan data som de samlat in om per-nukleon-myon som sprider järn och jämförde det med det som var relaterat till den mycket mindre kärnan av deuterium, uppnå överraskande resultat som inte matchade deras förutsägelser. Liknande, forskare vid LHC undersöker förhållandet mellan mätningarna som utförs under Pb-Pb-kollisioner, jämför det med de som samlats in under p-p-kollisioner.

"I detta sammanhang, toppkvarken utgör en teoretiskt exakt sond av gluon nPDFs i en dåligt utforskad skala, "Krintiras förklarade. "Exakt kunskap om nPDF är också en nyckelförutsättning för att extrahera detaljerad information om QGP-egenskaper från experimentdata."

Det senaste arbetet av CMS-samarbetet kan också ha viktiga konsekvenser för förståelsen och sökandet efter ny fysik. Även om forskningsgrupper som undersöker tunga joninteraktioner och ny fysik vanligtvis inte är relaterade, detta första bevis för produktionen av toppkvarkar i tunga joninteraktioner har banat väg för ett samarbete mellan dessa två fysiksamhällen.

"Denna sökning har inspirerat mig att gå ihop med kollegor specialiserade på ny fysik, att föreslå en sådan sökning som skulle dra fördel av de unika egenskaperna hos tunga jonkollisioner, och det kan bli möjligt med speciella tunga jonkörningar i framtiden, " sa Giammanco. "För två år sedan, vi anordnade en särskild workshop, kallad "Tunga joner och dolda sektorer, " dit vi bjöd in de flesta människor som är aktiva i den lilla nischen av nya fysiksökningar i tunga joner, men också tunga jonexperter som aldrig hade arbetat med ny fysik, nya fysikexperter som aldrig hade arbetat med tunga joner, och LHC-acceleratorexperter så att de kan vägleda oss om vad som kan vara möjligt att uppnå när det gäller prestanda för tunga jonstrålar i framtida LHC-körningar."

Några av de sofistikerade algoritmer som CMS-samarbetet utvecklat för att genomföra denna sökning används nu som ett argument inom forskarvärlden som söker efter ny fysik. Mer specifikt, den används för närvarande för att visa att några av de grundläggande begränsningarna eller utmaningarna i samband med sökningar efter ny fysik kan övervinnas.

I deras framtida arbete, CMS-samarbetet planerar att bygga vidare på sina senaste rön för att genomföra ytterligare sökningar efter toppkvarkar i kraftiga jonkollisioner. Dessutom, teamet skulle vilja förbättra effektiviteten av sina experimentella metoder och algoritmer ytterligare.

"I vår tidning, den så kallade "observerade statistiska signifikansen" för signalen uppgår till 4,0 enheter av "standardavvikelser" (σ), för båda metoderna, " sa Krintiras. "Med andra ord, om inga toppkvarkar producerades, det skulle fortfarande finnas en sannolikhet på 0,003 % (det är 4σ-nivån) att signalen skulle uppstå från en bakgrundsfluktuation. Vi skulle vilja minska denna sannolikhet ytterligare, nå den högre tröskeln på 5σ som anses vara standarden för att deklarera observation i vårt samhälle."

För att förbättra den observerade statistiska signifikansen av signalen de upptäckte och öka tillförlitligheten av deras fynd, forskarna måste först öka ljusstyrkan i sitt sökande. Faktiskt, även om de är i linje med teoretiska förutsägelser, de kollisionshastighetsvärden som tagits fram i deras senaste tidning är något lägre än förväntade värden. Att öka den statistiska signifikansen kan hjälpa till att avgöra om denna lägre frekvens är ett resultat av slumpmässiga fluktuationer eller indikerar en underliggande systematisk trend.

"Trots det ökande intresset för analyser kring nPDF, vi är fortfarande långt ifrån att uppnå en detaljerad förståelse av de inre strukturmodifieringarna i bundna kärnor, ", sa Krintiras. "LHC:s kärnkraftsdata förkunnas som en spelväxlare, eftersom de ger möjlighet till en exakt formalism av nPDF:er för den ledande kärnan, inklusive framsteg i vår kunskap om bundna gluoner från toppkvarkmätningar. Vi kan till och med förutse ytterligare körningar vid LHC med högre användbar ljusstyrka, vilket ger ytterligare chansen att kollidera med en eller flera lättare kärnor än bly, därmed överbrygga det för närvarande stora gapet."

Det finns också en komplementaritet mellan fysikprogrammen vid LHC och den planerade Electron-Ion Collider (EIC) vid Brookhaven-laboratoriet, svara på den avgörande frågan om nPDF är funktioner med universell tillämplighet. Tillsammans, dessa ansträngningar förväntas med precision avslöja hur arrangemanget av kvarkar och gluoner som utgör kärnornas protoner och neutroner är.

"Med det mesta av den totala ljusstyrkan för LHC Pb-Pb-programmet fortfarande att registreras under det kommande decenniet och lovande prestandaprognoser för den framtida uppgraderingen av LHC med hög ljusstyrka, eller till och med framtid, kraftfullare, kolliderare, rekommenderas också av den senaste uppdateringen av den europeiska strategin för partikelfysik, observerbara toppkvarkar kommer att mätas med ständigt ökande precision och till och med bli en exakt sond av QGP, ", tillade Krintiras. "Detta kan bevisa sin existens och göra det möjligt att sätta ihop världens kortaste film, och ännu mer, med extremt hög upplösning."

© 2021 Science X Network