Experimentos de colisiones en el Fermilab descubren un extraño quark ‘top’

Esta colisión de protón-antiprotón, registrada por la colaboración DZero, está entre los eventos candidatos al quark top aislado. El quark top decayó y produjo un chorro de quark bottom (b jet), un muón y un neutrino.

Los científicos de las colaboraciones CDF y DZero en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía han observado colisiones de partículas que producen quarks top aislados. El descubrimiento del top aislado confirma parámetros importantes de la física de partículas, incluyendo el número total de quarks, y tiene relevancia para la búsqueda en progreso de la partícula de Higgs en el Tevatron del Fermilab, actualmente el acelerador de partículas en funcionamiento más potente del mundo.

Anteriormente, los quarks top sólo habían sido observados cuando se producían mediante la fuerza nuclear fuerte. Esta interacción lleva a la producción de pares de quarks top. La producción de quarks top aislados, lo cual implica a la fuerza nuclear débil y es difícil de observar experimentalmente, ha sido observada ahora, casi 14 años después del descubrimiento del quark top en 1995.

Buscar la producción de top aislados hace que encontrar una aguja en un pajar parezca fácil. Sólo una entre cada 20 mil millones de colisiones protón-antiprotón produce un quark top aislado. Aún peor, la señal de estas raras ocurrencias se ve fácilmente imitada por otros procesos “de fondo” que tienen lugar a índices muy superiores.

“La observación de la producción de un quark top aislado es un hito importante para el programa del Tevatron”, dijo el Dr. Dennis Kovar, Director Asociado de la Oficina Científica de Física de Alta Energía en el Departamento de Energía de los Estados Unidos. “Además, el exitoso análisis altamente sensible es un paso importante en la búsqueda del Higgs”.

Descubrir la producción de un quark top sialado presenta un reto similar al de la búsqueda del bosón de Higgs en la necesidad de extraer una señal extremadamente pequeña de un fondo muy grande. Técnicas de análisis avanzadas desarrolladas para el descubrimiento del top aislado están ahora usándose para la búsqueda del bosón de Higgs. Además, las señales del top aislado y el Higgs tienen fondos en común, y el top aislado es en sí mismo un fondo de la partícula de Higgs.

Para realizar el descubrimiento del top aislado, los físicos de las colaboraciones CDF y DZero pasaron años peinando de forma independiente resultados de las colisiones de protones y anti-protones registradas en sus experimentos, respectivamente. Cada equipo identificó varios miles de eventos de colisión que parecían tener la forma que los experimentadores esperaban para la aparición de los top aislados. Un sofisticado análisis estadístico y un detallado modelado del fondo demostraron que unos cuantos cientos de colisiones produjeron realmente la partícula. El 4 de marzo, los dos equipos enviaron sus resultados independientes a Physical Review Letters.

Las dos colaboraciones habían informado anteriormente de resultados preliminares en la búsqueda del top aislado. Desde entonces, los experimentadores han logrado más del doble de datos analizados y han afinado las técnicas de análisis y selección, haciendo posible el descubrimiento. Por cada experimento, la probabilidad de que los eventos de fondo hayan falseado la señal en de apenas una entre cuatro millones, permitiendo a ambas colaboraciones afirmar con rotundidad el descubrimiento que pavimenta el camino hacia más descubrimientos.

“Estoy entusiasmada de que CDF y DZero hayan logrado este objetivo”, dijo el Director del Fermilab Pier Oddone. “Las dos colaboraciones han estado buscando este extraño proceso durante los últimos quince años, empezando en el descubrimiento del quark top en 1995. Investigar estos procesos subatómicos en más detalle puede abrir una ventana a la física de fenómenos más allá del Modelo Estándar”.