۹ ژوئیه ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: جورجینا جدیکوفسکا -ذراتی که از برخورد پروتون‌ها در برخورددهنده بزرگ هادرونی سرن پدید می‌آیند، از طریق این ابزار چندلایه و بسیار بلند، آشکارساز CMS، عبور می‌کنند.
دانشمندان سرن پدیده‌ای غیرمنتظره را در بزرگترین شتاب‌دهنده ذرات جهان مشاهده کرده‌اند که نشان می‌دهد سنگین‌ترین و کوتاه‌عمرترین ذرات در جهان ممکن است آنطور که قبلاً تصور می‌شد، منزوی نباشند.
این ویژگی پیش‌بینی نشده در رفتار کوارک‌های سر نشان می‌دهد که این ذرات بنیادی یک اتحاد زودگذر را تشکیل می‌دهند که قبلاً توسط آزمایش CMS در برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) سرن مشاهده شده بود.
طبق گزارش‌ها، این موضوع توسط آزمایش خواهرش، ATLAS، تأیید شده و در کنفرانس فیزیک انرژی بالای انجمن فیزیک اروپا در مارسی، فرانسه، در روز دوشنبه، 7 ژوئیه، فاش شده است.این کشف نشان می‌دهد که کوارک‌های سر، که به عنوان کوارک‌های حقیقت نیز شناخته می‌شوند و سنگین‌ترین ذرات بنیادی هستند، می‌توانند به طور موقت با همتایان ضدماده خود جفت شوند و یک حالت شبه مقید به نام توپونیوم ایجاد کنند.
برای درک بهتر ماهیت این برهمکنش گریزان، فیزیکدانان اکنون به محاسبات نظری پیچیده نیروی هسته‌ای قوی، به نام کرومودینامیک کوانتومی (QCD) روی خواهند آورد.
اگرچه کوارک‌های سر به طور معمول در برخوردهای پروتون با انرژی بالا در LHC تولید می‌شوند، اما به طور مشهوری ناپایدار هستند و در کمتر از یک تریلیونم یک تریلیونم ثانیه واپاشی می‌شوند و به عنوان ذرات منفرد شهرت یافته‌اند.
این کوتاهی مدت‌هاست که باعث شده است که برهمکنش آنها به شیوه کوارک‌های سبک‌تر و تشکیل ذراتی مانند پروتون یا مزون غیرممکن به نظر برسد.با این حال، سال گذشته، هنگام تجزیه و تحلیل مجموعه داده‌های بزرگی از تولید کوارک-آنتی‌کوارک سر از سال ۲۰۱۶ تا ۲۰۱۸ در جستجوی انواع جدیدی از بوزون‌های هیگز، محققان CMS مازاد غیرمنتظره‌ای از جفت‌های کوارک-آنتی‌کوارک سر را مشاهده کردند که اغلب به عنوان مدرکی دال بر وجود ذرات کشف نشده دیده می‌شوند.آن مازاد دقیقاً در حداقل انرژی مورد نیاز برای تولید چنین جفت کوارک بالایی رخ داد، آستانه‌ای که در آن تشکیل یک حالت شبه مقید محتمل‌تر می‌شود.
این امر باعث شد تیم فرضیه‌ی دیگری را در نظر بگیرد، یک اتحاد زودگذر از یک کوارک بالایی و یک آنتی‌کوارک بالایی، که مدت‌ها تصور می‌شد برای شناسایی در LHC بسیار دشوار است. ATLAS تأیید کرده است که همین اثر در داده‌های آن وجود دارد، بنابراین توضیحات ساده‌تر را رد می‌کند و با یافته‌های CMS همسو می‌شود.
همانطور که معلوم شد، جفت‌های کوارک بالایی-آنتی‌کوارکی می‌توانند به اندازه‌ای طولانی بمانند که به طور خلاصه به یک حالت توپونیوم متصل شوند، تعاملی که توسط گلوئون‌ها، پیام‌رسان‌های نیروی هسته‌ای قوی، تشکیل یک اتحاد نادر انجام می‌شود.
دانشمندان CMS میزان تولید مازاد کوارک-آنتی‌کوارک سر را ۸.۸ پیکوبارن با عدم قطعیت ۱.۳ پیکوبارن اندازه‌گیری کردند که از آستانه پنج سیگما مورد نیاز برای ادعای کشف در فیزیک ذرات فراتر رفت.
گوتیر هامل دو مونشنالت، سخنگوی CMS، گفت: «مشاهده اثر QCD غیرنسبیتی که تشخیص آن بسیار دشوار تصور می‌شد، یک پیروزی بزرگ برای برنامه آزمایش LHC است.» او افزود که این تیم مشتاقانه منتظر همکاری نزدیک با نظریه‌پردازان برای درک بهتر این جنبه جذاب از مدل استاندارد است.
ATLAS این یافته را با استفاده از مجموعه داده‌های کامل Run-2 که از سال ۲۰۱۵ تا ۲۰۱۸ جمع‌آوری شده بود، تأیید کرد و سطح مقطع تقریباً یکسان ۹.۰±۱.۳ پیکوبارن را گزارش داد و مدل‌های غیر توپونیوم با اهمیت ۷.۷ سیگما را رد کرد. با این حال، تعیین دقیق علت این پدیده غیرمنتظره همچنان چالش برانگیز است.
یک احتمال، ذره جدیدی با جرمی نزدیک به دو برابر کوارک سر است که در برخوردهای گلوئون تشکیل شده و به یک جفت کوارک-آنتی‌کوارک سر واپاشیده می‌شود. تأیید این موضوع نیاز به مدل‌سازی دقیق رفتار کوارک و گلوئون از طریق محاسبات پیشرفته QCD دارد.
مدت‌ها تصور می‌شد که اندازه‌گیری این اثر ظریف در LHC غیرممکن است، زیرا رویدادهای نزدیک به آستانه نادر و تشخیص آنها دشوار است. استفان ویلوک، سخنگوی ATLAS، در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: «با این حال، به لطف داده‌های فراوان پروتون-پروتون ثبت شده در طول اجرای دوم LHC و پیشرفت در تکنیک‌های تجزیه و تحلیل، این فرض دیرینه اکنون در حال تغییر است.»
اگر توپونیوم واقعی باشد، نقطه عطفی بزرگ در فیزیک ذرات خواهد بود و به عنوان جدیدترین حالت‌های کوارک-آنتی‌کوارک با عمر کوتاه، به چارمونیوم و باتونیوم می‌پیوندد. با اجرای سوم LHC، دانشمندان در حال آماده‌سازی برای بینش‌های بیشتر در مورد نیروی قوی هستند.
