Um excesso de limite na produção de antitopos superiores sugere uma física semelhante ao topônio
A Colaboração CMS investigou detalhadamente eventos em que um quark prime e um quark anti-top são produzidos juntos em colisões próton-próton de alta energia em √s = 13 TeV, usando o conjunto de dados completo de 138 fb⁻¹ coletados entre 2016 e 2018. O quark prime é a partícula basic mais pesada e decai quase imediatamente após ser produzido em colisões de alta energia. Como consequência, a formação de um estado ligado topo-antitopo foi durante muito tempo considerada altamente improvável e nunca foi observada. O quark anti-top tem a mesma massa e tempo de vida do quark prime, mas com cargas opostas. Quando um quark prime e um quark anti-top são produzidos juntos, eles formam um par top-antitop (tt̄).
Concentrando-se em eventos com dois léptons carregados (quarks prime e quarks anti-top decaem em dois elétrons, dois múons ou um elétron e um múon) e múltiplos jatos (sprays de partículas associadas ao decaimento do quark prime), a análise examina a massa invariante do sistema top-antitop junto com dois observáveis angulares que investigam diretamente como os spins dos quarks prime e anti-top estão correlacionados. Essas medições permitem que a equipe evaluate os dados com a previsão para a produção não ressonante de tt̄ com base na cromodinâmica quântica perturbativa de ordem fixa (QCD), que é o que os físicos normalmente usam para calcular como os quarks se comportam de acordo com o modelo padrão da física de partículas.
Perto do limiar cinemático onde o par topo-antitopo é produzido, o CMS observa um excesso significativo de eventos em relação à previsão da QCD. O número de eventos extras que eles veem pode ser traduzido em uma taxa de produção. Utilizando um modelo simplificado baseado na QCD não relativística, estimam que este excesso corresponde a uma secção transversal de cerca de 8,8 picobarns, com uma incerteza de aproximadamente +1,2/–1,4 picobarns. O padrão do excesso, incluindo suas características de correlação de spin, é consistente com a produção de um pseudoescalar singleto colorido (um par topo-antitopo no estado 1S₀, ou seja, a configuração de energia mais simples e mais baixa) e, portanto, com a previsão de QCD não relativística perto do limiar tt̄. A significância estatística do excesso excede cinco desvios padrão, indicando que é pouco provável que o efeito seja uma flutuação estatística. Os investigadores querem encontrar um estado semelhante ao do topónio porque revelaria como a força mais forte da natureza se comporta nas energias mais elevadas, testaria teorias chave da física dos quarks pesados e potencialmente exporia nova física para além do Modelo Padrão.
Os pesquisadores enfatizam que modelar a região do limiar tt̄ é teoricamente desafiador e que explicações alternativas permanecem possíveis. No entanto, o resultado está alinhado com as previsões de longa information da QCD não relativística de que os quarks pesados poderiam formar estados ligados de curta duração perto do limiar. A análise também mostra a correlação de spin como um meio eficaz para descobrir e caracterizar tais efeitos, que anteriormente eram considerados fora do alcance das capacidades experimentais. Começando com a confirmação pela Colaboração ATLAS em julho passado, esta observação desencadeou e continua a inspirar trabalhos teóricos e experimentais de acompanhamento teórico, abrindo um novo campo de estudo envolvendo estados ligados de quarks pesados e fornecendo novos insights sobre o comportamento da força forte em altas energias.
Quer saber mais sobre esse assunto?
O mar de quarks e antiquarks no nucleon DF Geesaman e PE Reimer (2019)