En 2017, en el Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocaron a una energía de 5,02 TeV. El detector CMS registró esas colisiones y, entre miles de millones de eventos, los físicos buscaban un caso raro: la producción de un único quark top sin su antipartícula. Normalmente, los quarks top aparecen en pares: quark y antiquark juntos, como las dos caras de una moneda. Pero a veces la naturaleza hace una excepción y solo nace una cara.
Para atrapar un caso así, los científicos buscaban eventos con un electrón o un muón y varios chorros de partículas, uno de los cuales revelara su origen en un quark b. Con 302 picobarns inversos de luminosidad integrada (como el volumen de datos acumulados), se logró medir la probabilidad del proceso. Resulta que el quark top solitario se produce con una sección eficaz de 17,6 picobarns, mientras que el antiquark top solitario, solo 6,6 picobarns. La diferencia es de casi tres veces: la naturaleza claramente prefiere los quarks a los antiquarks, y esta es una asimetría conocida desde hace tiempo, relacionada con la estructura de la interacción débil.
A partir de estos números, los físicos extrajeron una magnitud que indica cuán dispuesto está el quark top a participar en desintegraciones débiles. El valor obtenido es 0,92 con una incertidumbre de alrededor de 0,1. Esto concuerda perfectamente con las predicciones del modelo estándar, calculadas con gran precisión. Así que, por ahora, todo va según lo previsto, pero mediciones más precisas a otras energías podrían revelar discrepancias que apunten a nuevas partículas o fuerzas.
El baile del quark top solitario a 5,02 TeV ahora se ha registrado por primera vez. Los siguientes pasos son más datos y otras energías de colisión para comprobar si este baile se desvía del ritmo prescrito por la teoría.
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2603.13592
The single top quark $$t$$-channel production cross section is measured in proton-proton collisions at the CERN LHC at $$\sqrt{s}$$ = 5.02 TeV, using data recorded with the CMS detector in 2017, corresponding to an integrated luminosity of 302 pb$$^{-1}$$, and resulting in the first CMS measurement of the process at that energy. Events with one electron or muon and two or more jets, among which at least one is identified as originating from a b quark fragmentation, are analyzed. The combined cross section of single top quark (tq) and single top antiquark ($$\mathrm{\bar{t}q}$$) production is $$\sigma_{\mathrm{tq+\bar{t}q}}$$ = 25.4$$^{+3.6}_{-3.5}$$ (stat) $$^{+4.2}_{-3.9}$$ (syst) $$\pm$$ 0.5 (lumi) pb. The individual cross sections are measured to be $$\sigma_{\mathrm{tq}}$$ = 17.6$$^{+2.8}_{-2.7}$$ (stat) $$^{+2.6}_{-2.4}$$ (syst) $$\pm$$ 0.3 (lumi) pb and $$\sigma_{\mathrm{\bar{t}q}}$$ = 6.6$$^{+2.4}_{-1.6}$$ (stat) $$^{+2.1}_{-2.5}$$ (syst) $$\pm$$ 0.1 (lumi) pb. Their ratio is measured to be $$\mathcal{R}_{\mathrm{t-ch}}$$ = 2.7$$^{+1.5}_{-0.8}$$ (stat) $$^{+1.3}_{-0.3}$$(syst). The absolute value of the Cabibbo$$-$$Kobayashi$$-$$Maskawa matrix element is found to be $$\lvert f_{\mathrm{LV}}V_\mathrm{tb}\rvert$$ = 0.92 $$\pm$$ 0.09 (exp) $$\pm$$ 0.01 (thy). The measurements are in good agreement with the standard model predictions at next-to-next-to-leading order accuracy in quantum chromodynamics.
El quark top es la partícula elemental más pesada que se conoce: es más pesado que un átomo de oro, aunque no tiene tamaño.