La colaboración Compact Muon Solenoid (CMS), un gran grupo de investigadores de diferentes institutos en todo el mundo, ha reunido recientemente la primera evidencia de producción de quarks top en colisiones núcleo-núcleo. Su trabajo, esbozado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , se basó en datos de colisión plomo-plomo recopilados por el detector de partículas CMS, en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.

Hasta hace unos años, cuando el LHC del CERN acababa de empezar a funcionar, la mayoría de los físicos que estudian iones pesados ​​(es decir, núcleos de alta masa que han sido completamente despojados de electrones con fines de aceleración) se mostraron escépticos sobre la posibilidad de que los quarks superiores, las partículas elementales más pesadas conocidas hasta la fecha, podría estudiarse en colisiones de iones pesados. De hecho, en el momento, todavía no estaba claro si el LHC era capaz de soportar colisiones entre iones pesados ​​a una tasa de colisión suficientemente alta, también conocido como luminosidad. Recientemente, sin embargo, Los expertos en aceleradores del LHC pudieron lograr esta tasa y superar los objetivos de luminosidad iniciales para las colisiones de iones pesados.

Otra razón por la que estudiar los quarks superiores en colisiones de iones pesados ​​parecía menos factible que en las colisiones protón-protón (p-p) es que cuando el LHC choca con iones pesados, la energía cinética máxima de los nucleones individuales es considerablemente menor que la energía correspondiente en las colisiones p-p. Como la tasa de producción de quarks top depende en gran parte de la energía de colisión (es decir, cuanto mayor sea la energía, más fácil es producir quarks), la producción de estas partículas en colisiones de iones pesados ​​basadas en el LHC parecía un desafío.

El LHC también se configuró para dedicar menos tiempo a las colisiones de iones pesados ​​y más a las colisiones p-p. reflejando las prioridades de la comunidad de física de partículas. Por ejemplo, en un año, generalmente pasa un mes produciendo colisiones de iones pesados ​​y de seis a siete meses en colisiones p-p.

Finalmente, Las colisiones de iones pesados ​​producen muchas más partículas que las p-p más comunes, lo que puede hacer que la detección de partículas y el análisis de datos relacionados con iones pesados ​​recopilados por el LHC sean muy difíciles. Colectivamente, estos factores obstaculizaron y ralentizaron el estudio de los quarks superiores en colisiones de iones pesados, incluso si a menudo se identificaron en colisiones p-p.

Hace cinco años, investigadores del CERN, Universidad de Jyväskylä, y el Instituto de Física de Helsinki publicó las primeras predicciones de la tasa de producción de quarks top en colisiones de iones pesados. A pesar de la tasa de producción relativamente baja del LHC, argumentaron que los quarks superiores podrían ayudar a sondear el llamado plasma de quarks-gluones (QGP). QGP es un estado de la materia que se cree que existió durante el primer microsegundo de vida del universo. que también podría residir en el núcleo denso de estrellas de neutrones en el universo actual. Este estado de la materia se puede recrear en entornos de laboratorio colisionando iones pesados, como el plomo (Pb).

Los quarks superiores pueden ser útiles tanto para sondear QGP como para estudiar la distribución de gluones dentro de los núcleos. Estos dos usos, sin embargo, requieren diferentes tipos de colisiones, los primeros simétricos (por ejemplo, plomo sobre plomo o Pb-Pb) y los últimos simétricos y asimétricos (por ejemplo, protones en plomo o p-Pb). El LHC choca con haces simétricos y asimétricos, pero antes de que pudiera aplicarse a QGP y estudios relacionados con gluones, los investigadores tenían que demostrar con un alto grado de confianza que los quarks superiores se pueden detectar en las colisiones núcleo-núcleo.

"En diciembre de 2015, el LHC produjo colisiones de Pb-Pb con una energía cinética de 2,51 TeV por nucleón, significado de la colisión nucleón-nucleón, un gran total (centro de energía de masa por nucleón) de 5.02 TeV, ", dijeron los miembros de CMS Collaboration a Phys.org por correo electrónico." Este fue un gran paso con respecto a la Ejecución 1, pero la luminosidad todavía era demasiado limitada para fines de estudio de quarks top y, Como se mencionó antes, el tiempo de ejecución de iones pesados ​​fue de solo un mes. Así que en resumen ese conjunto de datos era demasiado pequeño para reclamar evidencia de producción de quarks top ".

Después de que se publicara el conjunto de datos recopilado en 2015, los investigadores llevaron a cabo una serie de estudios destinados a recopilar pruebas de la producción de quarks top en colisiones de iones pesados. Primero, midieron la producción de quark top en una pequeña muestra de referencia p-p tomada en 2015 con la misma energía del centro de masa de 5,02 TeV, luego lo midieron en colisiones p-Pb registradas en 2016. En última instancia, realizaron sus análisis sobre colisiones Pb-Pb.

"Estos nuevos datos de Pb-Pb se acumularon al final de la Ejecución 2, en 2018, gracias al ingenio de nuestros compañeros de aceleración, quien introdujo mejoras en la cadena desde la fuente de iones Pb hasta el LHC, y la capacidad del experimento CMS para grabar en cinta, la cantidad total de datos de iones pesados ​​entregados por el LHC, "explicaron los miembros de CMS Collaboration". En general, esto resultó en una luminosidad total acumulada aproximadamente cuatro veces mayor que en 2015. El conjunto de datos más grande eventualmente ayudó, pero por si solo, no habría sido suficiente en caso de que no se introdujeran mejoras en la reconstrucción de los quarks superiores ".

En su estudio reciente, la colaboración de CMS combinó dos enfoques experimentales:uno que se ve afectado por la presencia de QGP y otro que es independiente de él. El primero de estos métodos aprovecha la presencia de quarks inferiores (es decir, las versiones más ligeras de los quarks superiores). Los quarks inferiores pueden proporcionar indicios de la producción de quarks superiores, ya que los últimos casi siempre decaen en los primeros. El segundo enfoque, por otra parte, centrado exclusivamente en el estudio de electrones y muones (es decir, parientes más pesados ​​de los electrones).

"Este segundo método fue menos sensible, pero evitó una posible crítica:tenemos un conocimiento relativamente impreciso, hasta aquí, de cómo QGP afecta el comportamiento de los quarks inferiores, y así, en principio, el primer método podría estar sesgado por efectos aún desconocidos, "Andrea Giammanco, ex coordinador del grupo Top Quark de la colaboración CMS, dijo Phys.org. "Como resultado de la pequeñez de la señal del quark top, el fondo grande (por ejemplo, combinaciones aleatorias de partículas no relacionadas, o procesos inducidos por detectores que imitan la señal), y la complejidad de la reconstrucción del quark top, el análisis se diseñó con algunas características únicas ".

Inicialmente, la colaboración CMS se centró en la reoptimización de los algoritmos de identificación para lograr rendimientos comparables a los obtenidos en las colisiones p-p, a pesar de los desafíos asociados con el medio ambiente creado por las colisiones Pb-Pb. Después, utilizaron algoritmos avanzados de aprendizaje automático, que son herramientas prometedoras para el análisis de datos recopilados por el LHC.

Notablemente, la colaboración de CMS fue la primera en recopilar medidas que extraen señales de quarks superiores basándose únicamente en la información de los leptones. Además, utilizaron una nueva técnica de análisis que se basa enteramente en datos para estimar cuidadosamente la información de fondo.

"Para evitar cualquier sesgo humano, nuestro estudio se diseñó siguiendo un procedimiento de análisis denominado "ciego", mediante el cual los criterios de selección se optimizaron y fijaron primero utilizando solo una pequeña parte inicial de los datos, antes de aplicarse al conjunto de datos completo, "Dijo Giammanco." Al final, la concordancia de los resultados de los dos enfoques entre ellos, con la tasa extrapolada de las colisiones p-p, y con la expectativa teórica, nos dio confianza en la primera evidencia concreta de la producción de quarks top en colisiones núcleo-núcleo. También ha sido crucial para este resultado exitoso la estimación precisa de la luminosidad real, una tarea que nuestro equipo, con la ayuda del grupo de luminosidad CMS, realizado con alta prioridad, también."

Antes de este estudio reciente, el LHC había permitido mediciones de varias partículas elementales con grandes masas en colisiones de iones pesados, como portadores masivos de la fuerza electrodébil (es decir, Bosones W y Z). Sin embargo, hubo una falta de evidencia de la producción de quarks top en colisiones de iones pesados, incluso si las predicciones teóricas sugirieron que se produjeron a un ritmo suficientemente alto. Además de reunir la primera evidencia de producción de quarks top en colisiones núcleo-núcleo, el estudio reciente de la colaboración CMS midió una tasa de colisión que está alineada con las predicciones teóricas.

"Realmente, nuestra comunidad nunca antes había tenido la oportunidad de probar un régimen de energía (o 'escala de energía') cerca de la masa del quark top, poniendo la teoría que une los nucleones en núcleos, llamada la 'fuerza fuerte, "bajo estrictas pruebas, "Georgios K. Krintiras, co-coordinador del Grupo Luminosity de la colaboración CMS, dijo Phys.org. "Es más, procesos de física utilizados hasta ahora, por ejemplo, la producción de los bosones W y Z y las partículas de luz, los fotones, solo son sensibles a las propiedades de QGP integrado durante su vida extremadamente corta (solo una pequeña fracción de segundo, en términos técnicos, unos segundos). Nuestro papel siguiendo las consideraciones teóricas recientes para revelar la estructura de yoctosegundos de QGP, es solo el primer paso en el uso del quark top para proporcionar información clave y novedosa sobre la estructura temporal del medio creado en las colisiones de iones pesados ​​".

Los análisis llevados a cabo por la colaboración de CMS en este estudio reciente se desvían de enfoques de investigación bien establecidos y, por lo tanto, podrían abrir nuevas posibilidades para investigar la dimensión temporal de QGP. En última instancia, esto podría probar su existencia reuniendo la película más corta del mundo sobre su desarrollo.

"La masa excepcionalmente alta de quarks top que identificamos establece una nueva escala para sondear también la estructura interna de los núcleos, codificado en las llamadas funciones de distribución de partones nucleares (nPDF), Krintiras dijo. "Nuestro conocimiento actual de cómo se comportan los nucleones dentro de un núcleo es limitado, principalmente debido a la falta de datos a esa escala ".

Los nucleones están formados por tres partículas fundamentales conocidas como quarks. Las interacciones entre estos quarks, que están mediados por una clase diferente de partículas conocidas como gluones, son tan intensos que, teóricamente, ninguna fuerza externa debería poder afectar su comportamiento, ni siquiera las fuerzas fuertes entre diferentes partículas dentro de un núcleo.

Una investigación llevada a cabo en el CERN en los años 80 reveló que los nucleones unidos en núcleos tienden a comportarse de manera diferente a los que están libres. un hallazgo que fue confirmado por numerosos estudios posteriores. En esta investigación pasada, la European Muon Collaboration (EMC) investigó la proporción de datos que recopilaron sobre la dispersión de muones por nucleón del hierro y la comparó con la relacionada con el núcleo mucho más pequeño de deuterio, logrando resultados sorprendentes que no coincidían con sus predicciones. Similar, Los investigadores del LHC están investigando la relación entre las mediciones realizadas durante las colisiones Pb-Pb, comparándolo con los recogidos durante las colisiones p-p.

"En este contexto, el quark top constituye una sonda teóricamente precisa de los gluones nPDF en una escala poco explorada, Krintiras explicó. "El conocimiento preciso de los nPDF también es un requisito previo clave para extraer información detallada sobre las propiedades de QGP a partir de los datos experimentales".

El trabajo reciente de la colaboración CMS también podría tener importantes implicaciones para la comprensión y la búsqueda de nueva física. Aunque las comunidades de investigación que investigan las interacciones de iones pesados ​​y la nueva física generalmente no están relacionadas, esta primera evidencia de la producción de quarks top en interacciones de iones pesados ​​ha allanado el camino para una colaboración entre estas dos comunidades físicas.

"Esta búsqueda me ha inspirado a unir fuerzas con colegas especializados en nueva física, proponer una de esas búsquedas que aproveche las características únicas de las colisiones de iones pesados, y eso podría ser posible con ejecuciones especiales de iones pesados ​​en el futuro, ", Dijo Giammanco." Hace dos años, organizamos un taller dedicado, llamado "Iones pesados ​​y sectores ocultos, "a la que invitamos a la mayoría de las personas activas en el minúsculo nicho de las nuevas búsquedas físicas en iones pesados, sino también expertos en iones pesados ​​que nunca habían trabajado en nueva física, nuevos expertos en física que nunca habían trabajado con iones pesados, y expertos en aceleradores del LHC de modo que puedan orientarnos sobre lo que podría lograrse en términos de rendimiento del haz de iones pesados ​​en futuras ejecuciones del LHC ".

Algunos de los algoritmos sofisticados que la colaboración de CMS desarrolló para realizar esta búsqueda se están utilizando ahora como argumento dentro de la comunidad de investigación que está buscando nueva física. Más específicamente, Actualmente se está utilizando para demostrar que se pueden superar algunas de las limitaciones o desafíos fundamentales asociados con la búsqueda de nueva física.

En su trabajo futuro, la colaboración de CMS planea aprovechar sus hallazgos recientes para realizar búsquedas adicionales de quarks superiores en colisiones de iones pesados. Es más, al equipo le gustaría seguir mejorando la eficacia de sus métodos y algoritmos experimentales.

"En nuestro periódico, la llamada 'significación estadística observada' de la señal asciende a 4.0 unidades de 'desviaciones estándar' (σ), para ambos métodos, "Krintiras dijo." En otras palabras, si no se produjeran quarks top, todavía habría una probabilidad del 0,003% (ese es el nivel 4σ) de que la señal surja de una fluctuación de fondo. Nos gustaría reducir aún más esta probabilidad, alcanzando el umbral más alto de 5σ que se considera el estándar para declarar la observación en nuestra comunidad ".

Para mejorar la significancia estadística observada de la señal que detectaron y aumentar la confiabilidad de sus hallazgos, los investigadores deberán primero aumentar la luminosidad en su búsqueda. De hecho, incluso si están alineados con predicciones teóricas, los valores de la tasa de colisión extraídos en su artículo reciente son ligeramente más bajos que los valores esperados. El aumento de la significancia estadística podría ayudar a determinar si esta tasa más baja es el resultado de fluctuaciones aleatorias o indica una tendencia sistemática subyacente.

"A pesar del creciente interés en los análisis relacionados con los nPDF, todavía estamos lejos de lograr una comprensión detallada de las modificaciones de la estructura interna en los núcleos ligados, ", Dijo Krintiras." Los datos nucleares del LHC se anuncian como un cambio de juego, dado que brindan la oportunidad de un formalismo preciso de nPDF para el núcleo principal, incluyendo avances en nuestro conocimiento sobre gluones ligados a partir de mediciones de quarks superiores. Incluso podemos prever ejecuciones adicionales en el LHC con mayor luminosidad utilizable, lo que ofrece más posibilidades de colisionar uno o más núcleos más ligeros que el plomo. por lo tanto, colmando la gran brecha actual ".

También existe una complementariedad entre los programas de física en el LHC y el Colisionador de iones de electrones (EIC) planeado en el laboratorio de Brookhaven, respondiendo a la pregunta crucial de si los nPDF son funciones con aplicabilidad universal. Juntos, Se espera que estos esfuerzos revelen con precisión cuál es la disposición de los quarks y gluones que componen los protones y neutrones de los núcleos.

"Con la mayor parte de la luminosidad total del programa LHC Pb-Pb aún por registrar en la próxima década y las proyecciones de rendimiento prometedoras para la futura actualización de alta luminosidad del LHC, o incluso futuro, mas poderoso, colisionadores, también recomendado por la reciente actualización de la Estrategia europea para la física de partículas, Los observables de top quark se medirán con una precisión cada vez mayor e incluso se convertirán en una sonda precisa del QGP, ", Agregó Krintiras." Esto podría probar su existencia y hacer posible el montaje de la película más corta del mundo, y aun mas, con una resolución extremadamente alta ".

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