Observation of top-quark pair production in lead-lead collisions at TeV with the ATLAS detector
Utilizzando il rivelatore ATLAS, i ricercatori hanno osservato la produzione di coppie di top quark in collisioni piombo-piombo a TeV con una significatività di 5,0 deviazioni standard, misurando una sezione d'urto coerente con le previsioni teoriche e confermando l'esistenza di tutti i sapori di quark nell'ambiente ad alta densità di energia del plasma di quark e gluoni.
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Nei primissimi istanti dell'universo, solo frazioni di secondo dopo il Big Bang, la materia non esisteva come gli atomi solidi che conosciamo oggi. Inveve, era una zuppa ribollente e caldissima di particelle fondamentali chiamate quark e gluoni, libere dai legami che di solito le tengono unite. I fisici chiamano questo stato della materia plasma di quark e gluoni. Per capire come l'universo si sia evoluto da questo inizio caotico nell'universo strutturato che vediamo oggi, gli scienziati ricreano queste condizioni estreme in laboratorio. Lo fanno facendo scontrare nuclei atomici pesanti a velocità vicine a quella della luce, generando temperature trilioni di gradi più calde del centro del sole. Per decenni, i ricercatori hanno studiato come si comporta questo plasma, ma una domanda specifica è rimasta senza risposta: i quark top, le particelle più pesanti conosciute, esistevano all'interno di questa zuppa primordiale? Poiché i quark top sono così massicci e decadono così rapidamente, si pensava fossero troppo rari per formarsi nella breve e caotica durata del plasma creato in queste collisioni.
Un team di fisici che utilizza il rivelatore ATLAS al Large Had Collider ha ora risposto a quella domanda con un'osservazione definitiva. Analizzando i dati delle collisioni di ioni di piombo registrate nel 2015 e nel 2018, i ricercatori hanno trovato chiare prove del fatto che le coppie di quark top vengono effettivamente prodotte in queste collisioni di ioni pesanti. Il team ha setacciato miliardi di eventi di collisione per trovare una firma molto specifica: un singolo elettrone e un singolo muone, accompagnati da almeno due getti di particelle. Questa particolare combinazione di detriti è l'impronta digitale rivelatrice di un quark top e del suo partner di antimateria, l'antiquark top, che vengono creati e poi decadono quasi istantaneamente. I ricercatori hanno identificato 32 di tali eventi nel loro campione di dati, un numero sufficientemente grande da escludere il caso. La certezza statistica di questa scoperta è estremamente alta, equivalente a un risultato a cinque sigma, il che, nel linguaggio della fisica delle particelle, significa che l'osservazione è virtualmente certa di essere reale e non un colpo di fortuna.
Il significato di questa scoperta va oltre il semplice conteggio delle particelle. Il quark top è unico perché è così pesante da decadere prima di poter formare le particelle composte, come protoni o neutroni, che costituiscono la materia ordinaria. Ciò significa che il quark top esiste come particella libera per un momento fugace, offrendo uno sguardo raro e non filtrato sull'ambiente del plasma di quark e gluoni. Poiché queste particelle appaiono e scompaiono così rapidamente, esse agiscono come sonde che possono rivelare la struttura temporale del plasma stesso, mostrando come il mezzo si evolve nei primissimi istanti dopo la collisione. I ricercatori hanno misurato la velocità con cui queste coppie di quark top vengono prodotte e l'hanno trovata coerente con le previsioni teoriche che tengono conto del comportamento complesso delle particelle all'interno di un nucleo pesante. Questo accordo suggerisce che la nostra attuale comprensione di come la materia si comporti in queste condizioni estreme sia sulla strada giusta.
Questa osservazione conferma anche che tutti i sapori di quark, inclusi i più pesanti, sono presenti nella fase di pre-equilibrio del plasma di quark e gluoni. Questa fase rappresenta il momento subito dopo la collisione in cui il plasma si sta formando ma non si è ancora stabilizzato in uno stato uniforme. Trovare i quark top in questa fase rafforza l'idea che le condizioni in queste collisioni rispecchino le estreme densità di energia presenti nell'universo primordiale. Sebbene la misurazione porti ancora un certo grado di incertezza a causa della quantità limitata di dati disponibili, il risultato è abbastanza robusto da essere considerato un'osservazione solida piuttosto che un semplice indizio. Essa apre una nuova finestra per studiare le forze fondamentali della natura, permettendo agli scienziati di usare queste particelle pesanti per testare i limiti delle loro teorie su come l'universo sia iniziato e su come la materia sia costruita al suo livello più fondamentale.
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