作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 顶夸克几乎总是衰变为b夸克和W玻色子；后者进一步衰变为轻子或夸克，可以被探测到并形成所谓的“最终状态”
草图显示了顶夸克衰变为其他粒子的过程，x轴上显示了每个粒子的平均衰变时间
夸克-胶子等离子体密度演化(y轴)是时间的函数
信用:CMS协作
来自世界各地不同研究所的一大群研究人员组成的紧凑μ介子螺线管(CMS)协作组最近收集了核-核碰撞中顶夸克产生的第一个证据
他们的工作，在《物理评论快报》上发表的一篇论文中有所概述，是基于欧洲粒子物理研究所大型强子对撞机(LHC)的粒子探测器收集的铅-铅碰撞数据
直到几年前，当欧洲粒子物理研究所的LHC刚刚开始运行，大多数物理学家研究重离子(我
e
为了加速的目的，高质量的原子核已经被完全剥去了电子)对顶夸克的可能性表示怀疑，顶夸克是迄今已知的最重的基本粒子，可以在重离子碰撞中进行研究
事实上，当时还不清楚LHC是否能够以足够高的碰撞率(也称为光度)维持重离子之间的碰撞
然而，最近，LHC加速器专家能够达到这个速率，并超过重离子碰撞的初始光度目标
在重离子碰撞中研究顶夸克似乎不如在质子-质子(p-p)碰撞中可行的另一个原因是，当LHC碰撞重离子时，单个核子的最大动能明显小于p-p碰撞中的相应能量
由于顶夸克产生的速率在很大程度上取决于碰撞能量(I
e
能量越大，就越容易产生夸克)，在基于LHC的重离子碰撞中产生这些粒子似乎具有挑战性
LHC的建立也是为了减少重离子碰撞的时间，增加粒子碰撞的时间，反映了粒子物理界的优先考虑
例如，在一年中，它通常花一个月的时间产生重离子碰撞，花六到七个月的时间产生p-p碰撞
最后，重离子碰撞产生的粒子远远多于更常见的p-p粒子，这使得探测粒子和分析LHC收集的重离子相关数据变得非常具有挑战性
总的来说，这些因素阻碍并减缓了重离子碰撞中顶夸克的研究，即使它们经常在p-p碰撞中被识别出来
五年前，欧洲粒子物理研究所、耶瓦斯凯拉大学和赫尔辛基物理研究所的研究人员首次发表了重离子碰撞中顶夸克生产率的预测
尽管LHC的生产率相对较低，他们认为顶夸克可以帮助探测所谓的夸克胶子等离子体(QGP)
QGP是一种物质状态，据信存在于宇宙生命的第一微秒，它也可能存在于今天宇宙中中子星的致密核心
这种物质状态可以在实验室环境中通过碰撞重离子(如铅)来重现
顶夸克对探测QGP和研究原子核内胶子的分布都很有用
然而，这两种用途需要不同类型的碰撞，前一种是对称的(例如
g
铅或铅-铅)和后者对称和不对称的(例如
g
铅或对-铅上的质子)
LHC碰撞对称和非对称的光束，但是在应用于QGP和胶子相关的研究之前，研究人员必须高度自信地证明在核-核碰撞中确实可以探测到顶夸克
“2015年12月，LHC交付了动能为2的铅-铅碰撞
每核子51 TeV，意味着核子-核子碰撞，总计(每核子的质量能量中心)为5
02 TeV，”CMS合作的成员告诉物理
通过电子邮件组织
“这比Run 1大了一步，但是对于顶夸克的研究来说，光度仍然太有限，而且，如前所述，重离子运行时间只有一个月
因此，简而言之，这个数据集太小，不足以为顶级夸克生产提供证据
" 在2015年收集的数据集发布后，研究人员进行了一系列研究，旨在收集重离子碰撞中顶部夸克产生的证据
首先，他们测量了2015年在相同的质心能量为5
然后他们在2016年记录的p-Pb碰撞中测量了它
最终，他们对铅-铅碰撞进行了分析
“这些新的铅-铅数据是在2018年第二次运行结束时积累的，这要归功于我们的加速器同事的独创性，他们在从铅离子源到LHC的整个链中引入了改进，以及CMS实验在磁带上记录LHC提供的全部重离子数据的能力，”CMS合作组织的成员解释说
“总体而言，这导致总累积光度比2015年大约大四倍
更大的数据集最终有所帮助，但是如果没有引入顶夸克重构的改进，它本身是不够的
" 在他们最近的研究中，内容管理系统合作结合了两种实验方法:一种是受QGP存在的影响，另一种是不可知的
这些方法中的第一种利用了底夸克的存在(即
e
顶夸克的较轻版本)
底部夸克可以提供顶部夸克产生的线索，因为后者几乎总是衰变为前者
另一方面，第二种方法只专注于电子和μ子的研究
e
电子的较重的亲属)
“第二种方法不太敏感，但它防止了潜在的批评:到目前为止，我们对QGP如何影响底夸克的行为有相对不精确的了解，所以原则上，第一种方法可能会被仍然未知的影响所偏向，”CMS合作的顶夸克小组前协调员安德里亚·贾曼科(Andrea Giammanco)告诉Phys
（同organic）有机
由于顶夸克信号很小，大的背景(例如
g
无关粒子的随机组合，或模拟信号的探测器诱发过程)，以及顶夸克重构的复杂性，该分析被设计成具有一些独特的特征
" 最初，尽管存在与铅-铅碰撞所造成的环境相关的挑战，内容管理系统合作的重点是重新优化识别算法，以实现与在p-p碰撞中获得的性能相当的性能
随后，他们使用了先进的机器学习算法，这是LHC收集的数据分析的有前途的工具
值得注意的是，合作团队是第一个仅根据轻子信息收集提取顶夸克信号的测量
此外，他们使用了一种完全由数据驱动的新分析技术来仔细估计背景信息
“为了避免任何人为的偏见，我们的研究是按照一种所谓的‘盲目’分析程序设计的，即在应用于整个数据集之前，首先只使用一小部分初始数据来优化和确定选择标准，”吉亚曼科说
“最后，他们之间两种方法的结果的一致，从p-p碰撞推断出的速率，以及与理论预期的一致，给了我们对在核-核碰撞中产生顶夸克的第一个具体证据的信心
对这个成功的结果至关重要的是对实际亮度的精确估计，我们的团队在CMS亮度小组的帮助下，也以高优先级执行了这项任务
" 一个铅-铅碰撞事件被解释为见证了顶夸克的特征
e
、电子、μ子和b夸克
信用:CMS协作
在最近的这项研究之前，LHC已经能够在重离子碰撞中测量各种具有大质量的基本粒子，例如电弱力(I
e
，W和Z玻色子)
尽管如此，在重离子碰撞中缺乏顶夸克产生的证据，即使理论预测表明它们是以足够高的速率产生的
除了收集核-核碰撞中顶夸克产生的第一个证据，最近由合作研究中心进行的研究测量了与理论预测一致的碰撞率
“实际上，我们的社区以前从来没有机会探索这样一个接近顶夸克质量的能量体系(或‘能量尺度’)，把原子核中束缚核子的理论，称为‘强力’，置于严格的测试之下，”圣乔治·K
克林特拉斯，合作内容管理系统亮度组的联合协调人，告诉物理
（同organic）有机
“此外，到目前为止所使用的物理过程，例如W玻色子和Z玻色子以及光粒子光子的产生，只对QGP积分在极短寿命内的性质敏感(用专业术语来说，只有很小的一秒，大约几秒)
我们的论文是对最近揭示QGP约十秒结构的理论考虑的继续，它只是利用顶夸克为重离子碰撞中产生的介质的时间结构提供关键的新见解的第一步
" 在最近的这项研究中，由合作研究中心进行的分析偏离了既定的研究方法，因此为研究QGP的时间维度开辟了新的可能性
这可能最终通过汇集世界上最简短的电影来证明它的存在
“我们发现的异常高质量的顶夸克也为探测原子核的内部结构建立了一个新的尺度，编码在所谓的核部分子分布函数中，”克瑞提拉斯说
“我们目前对原子核内核子行为的了解是有限的，主要是因为缺乏这种规模的数据
" 核子由三种称为夸克的基本粒子组成
这些夸克之间的相互作用是由另一类称为胶子的粒子介导的，它们之间的相互作用如此强烈，以至于理论上没有外力能够影响它们的行为，甚至原子核内不同粒子之间的强大作用力也不能影响它们的行为
欧洲粒子物理研究所80年代进行的研究表明，束缚在原子核中的核子往往与自由核子行为不同，这一发现得到了许多后续研究的证实
在过去的这项研究中，欧洲μ子合作组织(EMC)研究了他们收集的铁的单核子μ子散射数据的比率，并将其与相对较小的氘原子核的数据进行了比较，获得了与他们的预测不匹配的令人惊讶的结果
同样，LHC的研究人员正在研究铅-铅碰撞期间测量值之间的比率，并将其与在p-p碰撞期间收集的数据进行比较
“在这种情况下，顶夸克构成了一个理论上精确的探索尺度的胶子非质子密度函数的探针，”克瑞提拉斯解释道
“对非点源荧光的精确了解也是从实验数据中提取QGP特性详细信息的关键前提
" 内容管理系统合作最近的工作也可能对新物理学的理解和研究产生重要影响
虽然研究重离子相互作用和新物理学的研究团体通常是不相关的，但这第一个重离子相互作用中产生顶夸克的证据为这两个物理团体之间的合作铺平了道路
“这项研究激励我与新物理学的专业同事合作，提出一项这样的研究，它将利用重离子碰撞的独特特征，并有可能在未来进行特殊的重离子运行，”吉亚曼科说
“两年前，我们组织了一个名为“重离子和隐藏扇区”的专门研讨会，邀请了大多数活跃在重离子新物理研究领域的人，也邀请了从未从事过新物理研究的重离子专家、从未从事过重离子研究的新物理专家以及LHC加速器专家，他们可以指导我们在未来的LHC运行中，在重离子束性能方面可能实现的目标
" CMS合作开发的一些复杂的算法来进行这种搜索，现在正被研究界用作寻找新物理的论据
更具体地说，它目前正被用来证明一些与新物理搜索相关的基本限制或挑战是可以克服的
在他们未来的工作中，合作团队计划在他们最近发现的基础上，对重离子碰撞中的顶夸克进行更多的搜索
此外，该团队希望进一步提高他们的实验方法和算法的有效性
“在我们的论文中，信号的所谓‘观察到的统计显著性’总计为4
“两种方法的‘标准差’(σ)均为0个单位，”克林特拉斯说
“换句话说，如果没有产生顶夸克，概率还是0
003%(这是4σ水平)，信号将由背景波动产生
我们希望进一步降低这一概率，达到更高的5σ阈值，这被认为是我们社区中声明观察的标准
" 为了提高他们检测到的信号的统计显著性，增加他们发现的可靠性，研究人员需要首先增加他们搜索的亮度
事实上，即使它们与理论预测一致，在他们最近的论文中提取的碰撞率值也略低于预期值
提高统计显著性有助于确定这一较低的比率是随机波动的结果还是潜在的系统趋势
“尽管人们对围绕核不扩散因子的分析越来越感兴趣，但我们仍远未对束缚核的内部结构变化达成详细的理解，”克瑞提拉斯说
“LHC核数据被认为是一个游戏规则的改变者，因为它们提供了一个机会，可以对主核进行精确形式的核密度泛函理论研究，包括我们从顶夸克测量中获得的束缚胶子知识的进步
我们甚至可以预见在LHC会有更多可用亮度更高的运行，进一步提供碰撞一个或多个比铅更轻的原子核的机会，从而弥补目前的巨大差距
" LHC的物理项目和布鲁克海文实验室计划中的电子-离子对撞机(EIC)之间也存在互补性，回答了核动力源是否是具有普遍适用性的功能这一关键问题
总之，这些努力有望精确揭示构成原子核的质子和中子的夸克和胶子的排列
“LHC铅-铅计划的大部分总光度在未来十年仍有待记录，LHC未来高光度升级的有希望的性能预测，甚至未来更强大的对撞机，也是最近更新的欧洲粒子物理战略所推荐的，顶级夸克可观测值将以越来越高的精度被测量，甚至成为QGP的精确探测器，”克林特拉斯补充说
“这可以证明它的存在，并使组装世界上最短的电影成为可能，甚至更高的分辨率
"
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