Per la prima volta, i fisici del CMS hanno studiato un effetto chiamato “variazione” della massa di quark top, un effetto quantico fondamentale previsto dal Modello Standard.

La massa è uno dei concetti più complessi della fisica fondamentale, che ha attraversato una lunga storia di sviluppi concettuali. La massa fu inizialmente intesa nella meccanica classica come una misura di inerzia e in seguito fu interpretata nella teoria della relatività speciale come una forma di energia. La massa ha un significato simile nelle moderne teorie dei campi quantistici che descrivono il mondo subatomico. Il modello standard della fisica delle particelle è una tale teoria dei campi quantistici e può descrivere l’interazione di tutte le particelle fondamentali conosciute alle energie del Large Hadron Collider.

La cromodinamica quantistica è la parte del modello standard che descrive le interazioni dei costituenti fondamentali della materia nucleare: quark e gluoni. La forza dell’interazione tra queste particelle dipende da un parametro fondamentale chiamato costante di accoppiamento forte. Secondo la cromodinamica quantistica, la costante costante di accoppiamento diminuisce rapidamente a scale di energia più elevate. Questo effetto si chiama libertà asintotica e l’evoluzione della scala viene definita “funzionamento della costante di accoppiamento“. Lo stesso vale anche per le masse dei quark che possono essere esse stesse intese come accoppiamenti fondamentali, ad esempio in relazione all’interazione con il campo di Higgs. Nella cromodinamica quantistica, il funzionamento della costante di accoppiamento forte e del quark le masse possono essere previste e queste previsioni possono essere testate sperimentalmente.

Visualizzazione di una collisione LHC rilevata dal rivelatore CMS che contiene una coppia di quark-antiquark ricostruita in alto. Il display mostra un elettrone (verde) e un muone (rosso) di carica opposta, due getti altamente energetici (arancione) e una grande quantità di energia mancante (viola). Credit image: Cern

La verifica sperimentale della massa corrente è un test essenziale della validità della cromodinamica quantistica. Alle energie sondate dal Large Hadron Collider, gli effetti della fisica oltre il Modello Standard potrebbero portare a modifiche del funzionamento della massa. Pertanto, una misurazione di questo effetto è anche una ricerca di fisica sconosciuta. Negli ultimi decenni, il funzionamento della costante di accoppiamento forte è stato verificato sperimentalmente per una vasta gamma di scale. Inoltre, sono state trovate prove per la gestione delle masse e dei quark.

Con una nuova misurazione, la collaborazione con il CMS indaga per la prima volta la variazione della massa del quark più pesante: il quark top. Il tasso di produzione delle coppie di quark top (una quantità che dipende dalla massa del quark top) è stato misurato a diverse scale di energia. Da questa misurazione, la massa di quark top viene estratta a quelle scale di energia usando previsioni teoriche che predicono la velocità con cui vengono prodotte le coppie quark-antiquark top.

Variazione della massa del quark superiore determinata dai dati (punti neri) rispetto alla previsione teorica (linea rossa). 
Poiché la scala assoluta della massa del quark superiore non è rilevante per questa misurazione, i valori sono stati normalizzati al secondo punto dati.
Credti image: Cern

Sperimentalmente, interessanti collisioni di coppie di top quark vengono selezionate cercando i prodotti specifici di decadimento di una coppia di top quark-antiquark. Nella stragrande maggioranza dei casi, i quark top decadono in un getto energetico e un bosone W, che a sua volta può decadere in un leptone e un neutrino. Getti e leptoni possono essere identificati e misurati con alta precisione dal rivelatore CMS, mentre i neutrini sfuggono senza essere rilevati e si rivelano come energia mancante. Una collisione che è probabilmente la produzione di una coppia quark-antiquark superiore come si vede nel rivelatore CMS è mostrata nella Figura 1. Si prevede che una tale collisione contenga un elettrone, un muone, due getti energetici e una grande quantità di energia mancante .

La variazione misurata della massa del quarktop è mostrata nella Figura 2. I marker corrispondono ai punti misurati, mentre la linea rossa rappresenta la previsione teorica secondo la Cromodinamica Quantistica. Il risultato fornisce la prima indicazione della validità dell’effetto quantico fondamentale della variazione della massa del quark top e apre una nuova finestra per testare la nostra comprensione della forte interazione. Mentre molti più dati verranno raccolti nelle future serie di LHC a partire dalla terza serie nel 2021, questo particolare risultato del CMS è per lo più sensibile alle incertezze derivanti dalla conoscenza teorica dei principali quark in cromodinamica quantistica. Per ottenere risultati ancora più precisi e forse svelare segni di una nuova fisica, saranno necessari sviluppi teorici e sforzi sperimentali.

Ulteriori informazioni: Esecuzione della massa di quark superiore dalle collisioni protone-protone a s√ = 13 TeV, arXiv: 1909.09193 [hep-ex] arxiv.org/abs/1909.09193

Fonte: CERN, di Ana Lopes.