A HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói is részt vettek a CERN LHC CMS kísérlet detektorainak építésében, amelyekkel vélhetően felfedeztek egy új mezont, a topóniumot, vagy egy még egzotikusabb pszeudoskalár bozont.
A részecskefizika segít megérteni az anyag építőköveit. A CERN-ben működő LHC (Nagy Hadronütköztető) a világ legnagyobb részecskegyorsítója, ahol protonokat ütköztetnek egymással hatalmas energiával, hogy új, eddig ismeretlen részecskéket hozzanak létre. A topónium a valaha megfigyelt legkisebb méretű összetett, tehát nem elemi részecske. Létrejöttét egy top kvark és egy top antikvark részecske rendkívül rövid ideig tartó kötésének köszönheti. A top kvark a legnehezebb az elemi részecskék között, és a legrövidebb életidővel rendelkezik, vagyis keletkezése után a leggyorsabban bomlik el a gyenge kölcsönhatásnak köszönhetően. Sokáig úgy gondolták, hogy ez az időtartam arra sem elég, hogy a kvark és antikvark páros kötött rendszert alkosson.
A részecske megfigyelhetősége az LHC-n még akkor is kétséges volt, ha egyébként minden feltétel adott a létrejöttéhez. Ez ugyanis a két kvark keletkezéséhez szükséges minimális energiához közel, egy nagyon kis energiatartományban lehetséges csak, amikor két gluon kölcsönhat. Az LHC-n viszont nem hangolható az ütközésekben átadott energia, tehát jelentős erőfeszítésre van szükség a megfelelő típusú és energiájú ütközések összegyűjtéséhez. A topónium bomlása, szemben más mezonokéval, nem az összetevők egymással történő kölcsönös megsemmisülésén, hanem a kvarkok gyenge-bomlásán keresztül történik. Tehát ezek megfigyeléséhez szükséges a két részecske bomlástermékeinek külön-külön történő észlelése, valamint energiáinak és szögbéli korrelációinak nagyon pontos mérése. Ezek mérését nehezíti a top kvarkok tömegének bizonytalansága a rövid élettartamuk miatt, és a CMS detektor felbontása a top kvark tömegére nézve. A mérés mégis sikeres volt, köszönhetően az összegyűjtött nagy mennyiségű adatnak, az egyre kifinomultabb adatkiértékelési eljárásoknak, és a CMS detektorok páratlan működésének. A top kvarkok rekonstrukciójának legfontosabb eszköze az a pixel detektor, amelynek egyes részeit a HUN-REN Wigner FK kutatói tervezték és gyártották.
A felfedezés kezdetben bizonyos értelemben a véletlennek volt köszönhető. A CMS kísérlet eredően a korábban felfedezett skalár Higgs bozon bizonyos feltételezett elméletek által jósolt, nagyobb tömegű, pszeudoskalár párját kereste, amely részecske, ha létezne, szintén top kvarkra és antikvarkra bomlana. Egy ilyen részecske jelenlétét a Standard Modell más folyamatai által keltett top-párok nyújtotta háttér feletti eseményszám-növekedésből lehetne kikövetkeztetni. A Standard Modell jóslatainak leírása tehát kritikus fontosságú ezekben a mérésekben. Eseményszám-többlet megfigyelésre sor is került, de nem abban a tömegtartományban, amelyben jelre számítani lehetett, hanem a háttérnek egy nem várt részén, egészen közel a két top kvark létrehozásához szükséges minimális energiához.
Az alaposabb vizsgálat kimutatta, hogy ezek a többletesemények összeegyeztethetők a pszeudoskalár topónium jelenlétével. A CMS kísérlet korábbi megfigyelését az ATLAS kísérlet a napokban közölt, megerősítő eredménye tette hivatalosan felfedezéssé.
Hogy a megfigyelt eseménytöbblet valóban a topónium, és az esetlegesen átfedhet-e egy pszeudoskalár Higgs bozonnal is, azt a további mérések fogják elárulni. A hadronütköztetők – mint amilyen az LHC -- által nyújtott felfedezési lehetőségek olykor még a szakemberek számára is meglepetést okozhatnak. Ha nem a HL-LHC, akkor a következő generációs, precíziós mérésekre alkalmasabb lepton-ütköztetők, mint a tervezett FCC-ee, adhatnak pontosabb válaszokat ezekre a kérdésekre.
Egy top kvarkot és antikvarkot tartalmazó mérés képe a CMS detektorban. A top kvark szinte minden esetben bottom kvarkra és W bozonra bomlik. Ebben az eseményben a két sárga kúp jelzi a bottom kvarkok által keltett részecskezáporokat. Az egyik W bozon a zöld vonallal jelzett elektronra, a másik a pirossal jelzet müonra bomlott. A W bozonok bomlásából származnak továbbá neutrínók is. Ezek detektálása nem lehetséges, és lendületük külön-külön történő mérésének hiánya okozza részben a top kvarkok tömegmérésének a pontatlanságát. A neutrínók által elvitt teljes lendület azonban kiszámítható, ennek irányát a lila nyíl jelzi."
Hivatkozások:
[1] CMS Collaboration 2024 (TOP-24-007): "Observation of a pseudoscalar excess at the top
quark pair production threshold", https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.22382
[2] ATLAS Collaboration 2025 (ATLAS-CONF-2025-008): “Observation of a cross-section
enhancement near the t¯t production threshold in √s=13 TeV pp collisions with the ATLAS
detector”, https://cds.cern.ch/record/2937636
hír forrása: https://home.cern/news/press-release/physics/elusive-romance-top-quark-…
