La col·laboració internacional que opera l’experiment ATLAS en el Gran Col·lisionador d’Hadrons (LHC) del CERN va informar a principis de juliol de l’observació del toponium, una unió de les partícules elementals més pesades, el quark top. En física, es tracta del que es coneix com un «estat quasi lligat», una unió temporal entre partícules que és inestable i acaba desintegrant-se. Durant dècades es pensà que aquest estat era impossible de detectar. Ara, l’experiment ATLAS confirma l’observació del toponium realitzada prèviament per l’experiment CMS també en el LHC. Un grup de l’Institut de Física Corpuscular (IFIC), centre mixt del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat de València (UV), ha jugat un paper important en la detecció d’aquest nou sistema quàntic.

Tot el que veiem en l’univers, inclosos nosaltres mateixos, està format per quarks. Entre ells, el quark top és, per naturalesa, una partícula solitària. A diferència d’altres quarks, que poden combinar-se per formar hadrons (com els protons que formen el nucli de l’àtom), el quark top es desintegra gairebé instantàniament, sense temps per formar estats lligats. En físics, un estat lligat és aquell en què una partícula està atrapada en una regió de l’espai amb altres partícules perquè no té prou energia per escapar. És estable, a diferencia de l’estat quasi lligat, on la partícula pot escapar i és temporal i inestable.

La mecànica quàntica, la física que explica el comportament dels àtoms i partícules, permet que, en condicions excepcionals, un quark top i la seua antipartícula, un antiquark top, sobrevisquen el temps suficient per interactuar i formar el toponium, un estat quasi lligat de vida extremadament breu. No obstant això, durant dècades es considerà pràcticament impossible de detectar al LHC, el major accelerador de partícules del món, on els científics fan col·lisionar protons a velocitats pròximes a la llum per recrear les condicions en què va nàixer l’univers.

Nou estat quàntic quasi lligat

Fa un temps, en un dels grans experiments del LHC anomenat CMS, s’observà alguna cosa inusual amb les dades registrades entre 2016 i 2018: un excés de parells de quark i antiquark top (la seua antipartícula, idèntica en tot excepte en la càrrega elèctrica). Encara que aquest tipus d’excés pot interpretar‑se com una senyal de noves partícules, la localització exacta del fenomen portà l’equip a considerar una possibilitat diferent: la formació del toponium. El passat 8 de juliol, la col·laboració ATLAS, on participen més de 5.000 científics i tècnics de tot el món, anuncià de forma independent a CMS l’observació del mateix fenomen, analitzant dades preses entre 2015 i 2018. Els resultats estan en estreta concordança amb els obtinguts per la col·laboració CMS, reforçant la interpretació que es tracta d’un nou estat quàntic quasi lligat anomenat toponium.

Participació de l’IFIC

L’Institut de Física Corpuscular (IFIC) participa des dels seus inicis en l’experiment ATLAS del LHC i té una presència destacada en el grup de física del quark top. L’investigador del CSIC a l’IFIC, Marcel Vos, ha contribuït en el procés de revisió d’aquest resultat. Vos també coordina el LHC Top Working Group, l’equip encarregat de tots els resultats relacionats amb el quark top en el LHC. «Des de la detecció del quark top el 1995, la producció i propietats d’aquesta partícula i la seua antipartícula s’han estudiat amb molt detall», explica Marcel Vos. «Durant anys es cregué que un estat lligat com el toponium seria indetectable, ja que els efectes d’aquesta unió eren massa subtils. Però els anàlisis d’ATLAS i CMS demostren que el LHC ha estat capaç de detectar aquesta efímera unió entre un quark top i un antiquark top, la qual cosa resultaria en aquest nou estat quasi lligat que ja es predeia en 1990, fins i tot abans del descobriment del quark top», afirma el científic del CSIC.

Malgrat l’evidència clara d’estar davant un fenomen inesperat, l’origen últim del toponium encara cal aclarir-lo. Una possible explicació alternativa seria l’existència d’una nova partícula amb una massa pròxima al doble de la del quark top. Aquests resultats mostren que encara queda molt per explorar en el Model Estàndard de la física de partícules, la teoria que millor descriu l’univers visible. Si s’inclou l’observació del toponium, el descobriment marcarà un nou hito en la nostra comprensió dels constituents més fonamentals de l’univers.

Referència: Resultats de la Col·laboració ATLAS a la Conferència de Física d’Altes Energies de la Societat Europea de Física, Marsella (França).