CMS-kokeessa Suurella hadronitörmäyttimellä (LHC) on paljastunut poikkeavuuksia ykköskvarkkiparien tuotantodatoissa. Nämä hiukkaset, jotka ovat massiivisimpia ja lyhytikäisimpiä, voisivat muodostaa sidotun tilan antipartikkelinsa kanssa, luoden näin toponiumin. Tämä havainto, vaikka alustava, avaa uusia näkökulmia fysiikan peruslakeihin.
Ykköskvarkkien äärimmäisen lyhyen eliniän vuoksi niitä pidettiin kykenemättöminä muodostamaan sidottuja tiloja. Kuitenkin viimeisimmät tiedot viittaavat siihen, että ne voisivat lyhyesti yhdistyä antipartikkeleihinsa. Tämä hypoteesi, jos se vahvistuu, merkitsisi suurta edistystä hiukkasfysiikassa.
Proton-proton-törmäysten analyysi on osoittanut ylimäärän ykköskvarkkipareista tuotannon energiakynnyksellä. Tämä ylimäärä voitaisiin selittää toponiumin muodostumisella, joka on kromodynamiikan kvanttiteorian ennustama tila, mutta jota ei ole koskaan havaittu. Tutkijat pysyvät varovaisina, sillä muita selityksiä on vielä mahdollista.
Toponiumin löytäminen täydentäisi kvarkonia-perhettä charmoniumin ja bottomoniumin jälkeen. Sen koko olisi vielä pienempi, tehden siitä tiheimmin havaittavan hadronin. Tämä ainutlaatuinen ominaisuus tarjoaa ikkunan vahvan vuorovaikutuksen ominaisuuksiin ennennäkemättömillä mittakaavoilla.
Toponiumin havaitseminen oli lähes mahdotonta ykköskvarkkien äärimmäisen lyhyen eliniän vuoksi. Niiden hajoaminen ennen sidotun tilan muodostamista vaikutti tekevän havainnoinnista mahdotonta. Tämä mahdollinen löytö todistaa LHC:llä saavutettuja teknologisia ja analyyttisiä edistysaskeleita.
CMS- ja ATLAS-tiimit tekevät nyt yhteistyötä syventääkseen näitä tuloksia. Toponiumin olemassaolon vahvistaminen vaatii lisäanalyysejä ja tarkempia tietoja. Tämä yhteistyö havainnollistaa yhteisten ponnistelujen merkitystä korkean energian fysiikan tutkimuksessa.
Mitkä ovat toponiumin ominaisuudet?
Toponium on hypoteettinen tila, joka muodostuu ykköskvarkista ja sen antipartikkelista, antitop-kvarkista. Toisin kuin muut kvarkoniat, kuten charmonium tai bottomonium, toponium olisi äärimmäisen lyhytikäinen ykköskvarkin erittäin lyhyen eliniän vuoksi.
Toponiumin muodostumista ennustaa kromodynamiikan kvanttiteoria, joka kuvaa vahvaa vuorovaikutusta, joka sitoo kvarkkeja yhteen. Kuitenkin sen suora havaitseminen on ollut suuri haaste hiukkasfysiikassa.
Jos toponiumia on olemassa, se olisi pienin tunnettu hadroni, jonka koko on pienempi kuin bottomoniumin. Tämä ominaisuus tekisi siitä ainutlaatuisen tutkimuskohteen vahvan vuorovaikutuksen rajojen ymmärtämiseksi.
Sen olemassaolon vahvistaminen voisi myös tarjota vihjeitä ilmiöistä, jotka ylittävät standardimallin, kuten pimeän aineen luonteen tai perusvoimien yhdistämisen.