În imagine: un proton intră în coliziune cu un nucleu de plumb, dând naştere unei avalanşe de particule în interiorul detectorului ALICE. Proiectele ATLAS, CMS şi LHCb au înregistrat şi ele coliziunile. Credit: Alice/CERN
Quarcul top este cea mai grea particulă din modelul standard şi, prin urmare, are o viaţă extrem de scurtă. Pentru a-l genera este nevoie de multă energie. Pentru prima dată, în cadrul unui experiment de la CERN, CMS, s-au obţinut dovezi ale producerii acestui quarc în coliziuni de nuclee de atomi de plumb. Acest studiu ne va permite să obţinem informaţii despre primele clipe ale universului, când acesta era o supă de quarcuri şi gluoni.
Din ce este alcătuită materia? Din atomi – este primul răspuns care ne trece prin minte.
Dar atomii? Din electroni şi nuclee, iar nucleele la rândul lor din protoni şi neutroni. Ei bine, protonii şi neutronii sunt compuşi din quarcuri!
Quarcurile şi electronii – din câte ştim în prezent – sunt particule elementare, adică nu sunt compuse din particule mai mici.
Toate particulele elementare pe care le cunoaştem, atât cele care compun atomii, dar şi altele care trăiesc puţin şi sunt produse la acceleratoarele de particule sau provin din univers sub forma razelor cosmice, alcătuiesc aşa-numitul model standard al fizicii particulelor elementare. Acest model conţine pe lângă quarcurile care compun protonii şi neutronii (up şi down) alţi patru quarcuri mai grei – care au fost produşi şi studiaţi la acceleratoare.
Particule - modelul standard
Cel mai greu quark – care reprezintă şi cea mai grea particulă a modelului standard, adică cea cu masa cea mai mare, este quarcul top, cu masa de circa 170 de ori mai mare decât cea a protonului! Acest quark, tocmai pentru că are o masă aşa de mare, este greu de produs în acceleratoare, întrucât necesită ca acestea să ciocnească particule la energii foarte mari – unde, prin transformarea energiei în masă (este vorba de energia cinetică a fasciculelor de particule) pot genera quarcul top. Quarcul top este ultimul quarc descoperit – acest lucru s-a întâmplat acum 25 de ani în SUA la Tevatron unde interacțiuni (ciocniri) între protoni și antiprotonii au generat inclusiv quarcuri top.
Recent însă în cadrul experimentului CMS de la Marele Accelerator de Hadroni (LHC) de la CERN (Geneva) s-au putut genera (și identifica) quarcuri top, împreună cu anti-quarcuri top, în coliziuni de nuclee de atomi de plumb la energii de circa 5 TeV.
Ceea ce au măsurat cercetătorii nu este quarkul top însuşi, ci particulele generate dintr-o lungă serie de dezintegrări ale acestuia, întrucât quarcul top practic se dezintegrează instantaneu, având o durată de viaţă de ordinul yoctosecundei!!! Yoctosecunda reprezintă 10-24s! Ceva incredibil de scurt! Durata de viață a quarcului bottom, al doilea ca greutate, de o picosecundă (10-12s) pare o eternitate!
Rezultatul va trebui confirmat prin alte măsurători, întrucât semnificaţia statistică este de patru sigma (se consideră în fizica particulelor un rezultat bine stabilit dacă semnificaţia este de cel puţin cinci sigma).
La ce ne ajută acest studiu? Trăind atât de puţin, quarcul top se dezintegrează în aşa-numita plasmă de quarcuri şi gluoni – cea care se formează atunci când nucleele de plumb se ciocnesc şi quarcurile şi gluonii care îi formează se dizolvă în această aşa-numita supă primordială care, se crede, exista imediat după Big Bang şi din care, pe măsură ce universul se răcea în urma expansiunii, a luat naştere materia, sub forma protonilor şi a neutronilor, a atomilor şi a galaxiilor actuale.
Posibilitatea de a studia proprietăţile plasmei de quarcuri şi gluoni cu ajutorul particulelor care se obţin din dezintegrarea quarcurilor top cu diverse energii permite realizarea unui fel de videoclip al evoluţiei plasmei şi deci a evoluţiei universului nostru în primele clipe ale existenţei sale!
Rezultatele studiului colaborării CMS vor fi publicate cât de curând în revista Physical Review Letters şi au stârnit deja mult interes în comunitatea ştiinţifică, în special a celor care se ocupă de particule elementare, dar şi de naşterea şi evoluţia universului, adică de cosmologie.
