Den klassiska signaturen för ett topp-kvarkpar som produceras i LHC-kollisioner är fyra jetstrålar (gula koner), en myon (röd linje, även detekterad av CMS-myondetektorerna som röda rutor) och saknad energi från en neutrino (rosa pil). Kredit:CERN
CMS-samarbetet vid Large Hadron Collider (LHC) har utfört den mest exakta mätningen någonsin av toppkvarkens massa – den tyngsta kända elementarpartikeln. Det senaste CMS-resultatet uppskattar värdet av toppkvarkens massa med en noggrannhet på cirka 0,22 %. Den stora vinsten i noggrannhet kommer från nya analysmetoder och förbättrade procedurer för att konsekvent och samtidigt behandla olika osäkerheter i mätningen.
Den exakta kunskapen om toppkvarkmassan är av största vikt för att förstå vår värld i minsta skala. Att känna till denna tyngsta elementarpartikel så intimt som möjligt är avgörande eftersom det tillåter testning av den interna konsistensen i den matematiska beskrivningen av alla elementarpartiklar, kallad standardmodellen.
Till exempel, om massorna av W-bosonen och Higgs-bosonen är exakt kända, kan toppkvarkmassan förutsägas av standardmodellen. På samma sätt kan W-bosonmassan förutsägas med hjälp av toppkvarken och Higgs-bosonmassorna. Intressant nog, trots många framsteg, är den teoretisk-fysiska definitionen av massa, som har att göra med effekten av kvantfysikkorrigeringar, fortfarande svår att fastställa för toppkvarken.
Och anmärkningsvärt nog beror vår kunskap om själva stabiliteten i vårt universum på vår kombinerade kunskap om Higgs-boson- och toppkvarkmassorna. Vi vet bara att universum är mycket nära ett metastabilt tillstånd med precisionen av de nuvarande mätningarna av toppkvarkens massa. Om toppkvarkmassan till och med var något annorlunda skulle universum vara mindre stabilt på lång sikt och eventuellt försvinna i en våldsam händelse som liknar Big Bang.
För att göra sin senaste mätning av toppkvarkens massa, med hjälp av data från proton-proton LHC-kollisioner som samlades in av CMS-detektorn 2016, mätte CMS-teamet fem olika egenskaper hos kollisionshändelser där ett par toppkvarkar produceras, istället för de upp till tre egenskaper som uppmätts i tidigare analyser. Dessa egenskaper beror på toppkvarkens massa.
Dessutom utförde teamet en extremt exakt kalibrering av CMS-data och fick en djupgående förståelse för de återstående experimentella och teoretiska osäkerheterna och deras ömsesidiga beroenden. Med denna innovativa metod extraherades alla dessa osäkerheter också under den matematiska passningen som bestämmer det slutliga värdet på toppkvarkens massa, och detta innebar att en del av osäkerheterna kunde uppskattas mycket mer exakt. Resultatet, 171,77±0,38 GeV, överensstämmer med de tidigare mätningarna och förutsägelsen från standardmodellen.
CMS-samarbetet har tagit ett betydande steg framåt med denna nya metod för att mäta toppkvarkens massa. Den avancerade statistiska behandlingen av osäkerheter och användningen av fler egenskaper har förbättrat mätningen avsevärt. Ytterligare ett stort steg förväntas när det nya tillvägagångssättet tillämpas på den mer omfattande datamängden som registrerats av CMS-detektorn 2017 och 2018. + Utforska vidare
