CERN物理學家在鉛鉛碰撞中觀測到頂夸克對

歐洲核子研究組織（CERN）大型強子對撞機（LHC）的ATLAS偵測器，在鉛鉛碰撞中觀測到了頂夸克對的產生。此發現標誌著首次在原子核間的相互作用中，觀察到這個過程。

每核子對能量為5.02 TeV的鉛鉛碰撞展示，產生了一對候選頂夸克，它們衰變成其他粒子。該事件包含四個粒子噴流（黃色圓錐）、一個電子（綠線）和一個渺子（紅線）。插圖顯示了該事件的軸向檢視。圖片來源：ATLAS / CERN。

在夸克膠子等離子體中，質子和中子的基本組成部分——夸克（物質粒子）和膠子（強力載體）——並不束縛在粒子內部，而是以一種解禁閉的物質狀態存在，形成一種近乎完美的稠密流體。

物理學家認為，在大爆炸之後，夸克膠子等離子體短暫地充滿了宇宙。對它的研究，能讓人們窺見宇宙早期的狀態。

然而，在重離子碰撞中產生的夸克膠子等離子體壽命極短，大約只有10^-23秒，這意味著它無法被直接觀測到。

相反，物理學家研究在這些碰撞中產生、並穿過夸克膠子等離子體的粒子，利用它們作為探索等離子體性質的探針。

尤其是頂夸克，它是研究夸克膠子等離子體隨時間演化的極具前景的探針。

作為已知最重的基本粒子，頂夸克衰變成其他粒子的速度，比形成夸克膠子等離子體所需的時間快一個數量級。

碰撞與頂夸克衰變產物與夸克膠子等離子體相互作用之間的時間延遲，可作為一個「時間標記」，為研究等離子體的時間動力學提供了獨特機會。

此外，物理學家可以從中提取有關核部分子分佈函式的新資訊，該函式描述了核子（質子或中子）的動量如何在其組成夸克和膠子之間分佈。

在這項新研究中，ATLAS合作組織的物理學家研究了大型強子對撞機第二執行期間，每核子對碰撞能量為5.02太電子伏特（TeV）的鉛離子碰撞。

他們在雙輕子通道中觀測到了頂夸克的產生，在這個通道中，頂夸克衰變為一個底夸克和一個W玻色子，W玻色子隨後衰變為一個電子或一個渺子以及一個伴生的中微子。

這一結果的統計顯著性達到5.0個標準差，使其成為首次在核 - 核碰撞中觀測到頂夸克對的產生。

物理學家表示：「我們測量了頂夸克對的產生率，也就是截面積，相對不確定性為35%。」

「總不確定性主要受資料集大小的影響，這意味著正在進行的第三執行期的新重離子資料，將提高測量的精度。」

他們還補充道：「這一新結果為夸克膠子等離子體的研究開啟了一扇窗。」

「在未來的研究中，我們也將考慮重離子碰撞中頂夸克對的半輕子衰變通道，這可能使我們首次窺見夸克膠子等離子體隨時間的演化。」