El resultado de una investigación reciente de la colaboración CMS abre el camino para estudiar de una manera nueva y única un estado extremo de la materia que se cree que existió poco después del Big Bang. La colaboración ha visto evidencia de quarks superiores en colisiones entre núcleos pesados ​​en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

Esta no es la primera vez que esta partícula especial, la partícula elemental más pesada conocida, ha aparecido en colisionadores de partículas. El quark top se observó por primera vez en colisiones protón-antiprotón en el colisionador Tevatron hace 25 años. y desde entonces ha sido detectado y estudiado en colisiones protón-protón y protón-núcleo en el LHC. Pero el nuevo hallazgo descrito en un artículo que acaba de ser aceptado para su publicación en Cartas de revisión física , seguro que entusiasmará tanto a los experimentales como a los teóricos, El análisis de los quarks superiores en colisiones de núcleos pesados ​​ofrece una forma nueva y única de estudiar el plasma de quarks y gluones que se forma en estas colisiones y que se cree que existió en los primeros momentos del universo. Además, tal análisis podría arrojar nueva luz sobre la disposición de los quarks y gluones dentro de núcleos pesados.

No hay exactamente escasez de partículas, o sondas, con el que investigar el plasma de quarks-gluones. Los experimentos del LHC han estado utilizando durante mucho tiempo varios tipos de partículas para estudiar las propiedades de este estado extremo de la materia. en el que los quarks y gluones no están confinados dentro de partículas compuestas, sino que deambulan como partículas en un líquido con una pequeña resistencia a la fricción. Pero todas las sondas existentes proporcionan información promediada en el tiempo sobre el plasma. Por el contrario, el quark top, por la particular forma en que se transforma, o se descompone en otras partículas, puede proporcionar instantáneas del plasma en diferentes momentos de su vida.

"Los quarks superiores de movimiento más rápido proporcionan instantáneas posteriores. Al ensamblar instantáneas tomadas con quarks superiores en un rango de diferentes velocidades, esperamos que eventualmente sea posible crear una película de la evolución del plasma de quarks-gluones, "explica el investigador del CERN, Guilherme Milhano, quien fue coautor de un estudio teórico sobre el sondeo del plasma de quarks-gluones con quarks top. "El nuevo resultado de CMS representa el primer paso en ese camino".

La colaboración de CMS vio evidencia de quarks top en una gran muestra de datos de colisiones plomo-plomo a una energía de 5.02 TeV. El equipo buscó colisiones que produjeran un quark top y un antiquark top. Estos quarks se descomponen muy rápidamente en un bosón W y un quark inferior, que a su vez también se descomponen muy rápidamente en otras partículas. Los físicos de CMS buscaron el caso particular en el que los productos finales de desintegración son leptones cargados (electrones o sus primos más pesados, muones) y 'chorros' de múltiples partículas que se originan en los quarks inferiores.

Después de aislar y contar estos eventos de colisión top-antitop, CMS estimó la probabilidad de que las colisiones plomo-plomo produzcan pares superior-antitop a través de leptones cargados y quarks inferiores. El resultado tiene una significancia estadística de aproximadamente cuatro desviaciones estándar, por lo que aún no cruza el umbral de cinco desviaciones estándar que se requiere para reclamar la observación de la producción de quarks superiores. Pero representa una evidencia significativa del proceso:solo hay un 0,003% de probabilidad de que el resultado sea una casualidad estadística. Y lo que es más, el resultado es consistente con las predicciones teóricas, así como con extrapolaciones de mediciones previas de la probabilidad de colisiones protón-protón con la misma energía de colisión.

"Nuestro resultado demuestra la capacidad del experimento CMS para realizar estudios de quark top en el complejo entorno de colisiones de núcleos pesados, "dice el físico de CMS Georgios Krintiras, investigador postdoctoral en la Universidad de Kansas, "y es el primer trampolín para utilizar el quark top como una nueva y poderosa sonda del plasma de quark-gluón".