O resultado de uma pesquisa recente da colaboração CMS abre o caminho para estudar de uma maneira nova e única um estado extremo da matéria que se pensa ter existido logo após o Big Bang. A colaboração viu evidências de quarks top em colisões entre núcleos pesados ​​no Large Hadron Collider (LHC).

Esta não é a primeira vez que esta partícula especial - a partícula elementar mais pesada conhecida - apareceu em colisões de partículas. O quark top foi observado pela primeira vez em colisões próton-antipróton no colisor Tevatron 25 anos atrás, e desde então foi localizado e estudado em colisões próton-próton e próton-núcleo no LHC. Mas a nova descoberta, descrito em um artigo aceito para publicação em Cartas de revisão física , com certeza excitará experimentalistas e teóricos, para análise de quarks top em colisões de núcleos pesados ​​oferece uma maneira nova e única de estudar o plasma quark-gluon que se forma nessas colisões e que se pensa ter existido nos primeiros momentos do universo. Além disso, tal análise poderia lançar uma nova luz sobre o arranjo de quarks e glúons dentro de núcleos pesados.

Não há exatamente uma escassez de partículas, ou sondas, com o qual investigar o plasma quark-gluon. Os experimentos do LHC têm usado vários tipos de partículas para estudar as propriedades desse estado extremo da matéria, em que quarks e glúons não estão confinados em partículas compostas, mas vagam como partículas em um líquido com pequena resistência ao atrito. Mas todas as sondas existentes fornecem informações calculadas ao longo do tempo sobre o plasma. Por contraste, o quark superior, devido à forma particular em que se transforma, ou decai em outras partículas, pode fornecer instantâneos do plasma em diferentes momentos de sua vida.

"Os quarks top de movimentação mais rápida fornecem instantâneos posteriores. Ao montar instantâneos tirados com os quarks top em uma gama de velocidades diferentes, esperamos que eventualmente seja possível criar um filme da evolução do plasma quark – gluon, "explica Guilherme Milhano, pesquisador do CERN, que foi coautor de um estudo teórico sobre a sondagem do plasma quark-gluon com quarks top. "O novo resultado do CMS representa o primeiro passo nesse caminho."

A colaboração do CMS viu evidências de quarks top em uma grande amostra de dados de colisões chumbo-chumbo a uma energia de 5,02 TeV. A equipe procurou colisões produzindo um quark top e um antiquark top. Esses quarks decaem muito rapidamente em um bóson W e um quark bottom, que por sua vez também decai muito rapidamente em outras partículas. Os físicos do CMS procuraram o caso particular em que os produtos finais do decaimento são léptons carregados (elétrons ou múons de seus primos mais pesados) e 'jatos' de partículas múltiplas originadas de quarks bottom.

Depois de isolar e contar esses eventos de colisão antitop superior, O CMS estimou a probabilidade de colisões chumbo-chumbo de produzir pares antitop top por meio de leptons carregados e quarks bottom. O resultado tem uma significância estatística de cerca de quatro desvios padrão, portanto, ainda não ultrapassou o limite de cinco desvios-padrão necessários para alegar a observação da produção de quark top. Mas representa uma evidência significativa do processo - há apenas 0,003% de chance de que o resultado seja um acaso estatístico. O que mais, o resultado é consistente com as previsões teóricas, bem como com extrapolações de medições anteriores da probabilidade em colisões próton-próton com a mesma energia de colisão.

"Nosso resultado demonstra a capacidade do experimento CMS de realizar estudos de quark top no ambiente complexo de colisões de núcleos pesados, "diz o físico do CMS Georgios Krintiras, um pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Kansas, "e é o primeiro passo no uso do quark top como uma nova e poderosa sonda do plasma quark-gluon."