Pela primeira vez, Os físicos do CMS investigaram um efeito chamado de "execução" da massa do quark superior, um efeito quântico fundamental previsto pelo Modelo Padrão.

Massa é um dos conceitos mais complexos da física fundamental, que passou por uma longa história de desenvolvimentos conceituais. A massa foi entendida pela primeira vez na mecânica clássica como uma medida de inércia e mais tarde interpretada na teoria da relatividade especial como uma forma de energia. A massa tem um significado semelhante nas modernas teorias quânticas de campo que descrevem o mundo subatômico. O modelo padrão da física de partículas é uma teoria quântica de campo, e pode descrever a interação de todas as partículas fundamentais conhecidas nas energias do Grande Colisor de Hádrons.

A Cromodinâmica Quântica é a parte do Modelo Padrão que descreve as interações dos constituintes fundamentais da matéria nuclear:quarks e glúons. A força da interação entre essas partículas depende de um parâmetro fundamental denominado constante de acoplamento forte. De acordo com a Cromodinâmica Quântica, a constante de acoplamento forte diminui rapidamente em escalas de energia mais altas. Este efeito é chamado de liberdade assintótica, e a evolução da escala é referida como "execução da constante de acoplamento". O mesmo também é verdadeiro para as massas dos quarks, que podem ser entendidos como acoplamentos fundamentais, por exemplo, em conexão com a interação com o campo de Higgs. Na Cromodinâmica Quântica, o funcionamento da constante de acoplamento forte e das massas de quark pode ser previsto, e essas previsões podem ser testadas experimentalmente.

A verificação experimental da massa em movimento é um teste essencial da validade da Cromodinâmica Quântica. Nas energias sondadas pelo Grande Colisor de Hádrons, os efeitos da física além do modelo padrão podem levar a modificações no funcionamento da massa. Portanto, uma medição desse efeito é também uma busca por física desconhecida. Nas últimas décadas, a execução da constante de acoplamento forte foi verificada experimentalmente para uma ampla gama de escalas. Também, evidências foram encontradas para o funcionamento das massas dos quarks charme e beleza.

Com uma nova medição, o CMS Collaboration investiga pela primeira vez o funcionamento da massa do mais pesado dos quarks:o quark top. A taxa de produção dos pares de quark top (uma quantidade que depende da massa do quark top) foi medida em diferentes escalas de energia. A partir desta medição, a massa do quark superior é extraída nessas escalas de energia usando previsões teóricas que prevêem a taxa na qual os pares quark-antiquark superiores são produzidos.

Experimentalmente, colisões interessantes de pares de quarks superiores são selecionadas pesquisando-se os produtos de decaimento específicos de um par quark-antiquark superior. Na esmagadora maioria dos casos, os quarks top decaem em um jato energético e um bóson W, que por sua vez pode decair em um leptão e um neutrino. Jatos e léptons podem ser identificados e medidos com alta precisão pelo detector CMS, enquanto os neutrinos escapam sem serem detectados e se revelam como energia ausente. Uma colisão que é provavelmente a produção de um par quark-antiquark top como é vista no detector CMS é mostrada na Figura 1. Tal colisão deve conter um elétron, um muon, dois jatos energéticos, e uma grande quantidade de energia ausente.

O funcionamento medido da massa do quark superior é mostrado na Figura 2. Os marcadores correspondem aos pontos medidos, enquanto a linha vermelha representa a previsão teórica de acordo com a Cromodinâmica Quântica. O resultado fornece a primeira indicação da validade do efeito quântico fundamental da execução da massa do quark superior e abre uma nova janela para testar nossa compreensão da interação forte. Embora muito mais dados sejam coletados no futuro, o LHC começa com a execução 3 em 2021, este resultado específico do CMS é mais sensível às incertezas provenientes do conhecimento teórico do quark top na cromodinâmica quântica. Para testemunhar a massa do quark superior funcionando com precisão ainda maior e talvez revelar sinais de uma nova física, desenvolvimentos teóricos e esforços experimentais serão ambos necessários. Enquanto isso, observe o quark top rodar!