Quarkul top este cea mai grea particula din Modelul Standard si, prin urmare, are o viata extrem de scurta. Pentru a-l genera este nevoie de multa energie. Pentru prima data un experiment de la CERN, CMS, a obtinut dovezi ale producerii acestui quarc in coliziuni de nuclee de plumb.

Acest studiu ne va permite sa obtinem informatii despre primele clipe ale Universului imediat dupa Big bang: cand Universul era o supa de quarci si gluoni.

Din ce este alcatuita materia? Din atomi – este primul raspuns care ne trece print minte. Dar atomii? Din electroni si nuclee, iar nucleele la randul lor din protoni si neutroni. Ei bine, protonii si neutronii sunt compusi din quarci! Quarcii si electronii – din cate stim in prezent – sunt particule elementare, adica nu sunt compuse din particule mai mici.

Toate particulele elementare pe care le cunoastem, atat cele care compun atomii dar si altele care traiesc putin si sunt produse la acceleratoarele de particule sau provin din Univers sub forma razelor cosmice, alcatuiesc asa-numitul Model Standard al fizicii particulelor elementare.

Acest model contine pe langa quarcii care compun protonii si neutronii (up si down) alti patru quarci mai grei – care au fost produsi si studiati la acceleratoare. Cel mai greu quark – care reprezinta si cea mai grea particula a Modelului Standard, adica cea cu masa cea mai mare, este quarcul top, cu masa de circa 170 de ori mai mare ca cea a protonului!

Acest quark, tocmai pentru ca are o masa asa de mare, este greu de produs la acceleratoare, intrucat necesita ca acestea sa ciocneasca particule la energii foarte mari – unde, prin transformarea energiei in masa (este vorba de energia cinetica a fasciculelor de particule) pot genera quarcul top. Quarcul top este ultimul quarc descoperit – acest lucru s-a intamplat acum 25 de ani in SUA la Tevatron unde protonii de ciocneau cu antiprotonii si au generat inclusiv quarci top.

Recent insa experimentul CMS de la marele accelerator de particule LHC de la CERN (Geneva) a reusit sa descopere generarea de quarci top, impreuna cu anti-quarci top, in coliziuni de nuclee de plumb la energii de circa 5 TeV. Ceea ce au masurat cercetatorii nu este quarkul top insusi ci particulele generate din lunga serie de dezintegrari ale acestuia – intrucat quarcul top practic se dezintegreaza instantaneu – avand o durata de viata de ordimul yoctosecundei!!! Yoctosecunda reprezinta 10 la puterea minus 24 de secunde! Ceva incredibil de mic! Pe langa viata acestui quarc cea a quarcului bottom, al doilea de greu, adica o picosecunda (10 la puterea minus 12 secunde) pare o eternitate!

Rezultatul va trebui sa fie confirmat in viitor prin alte masuratori, intrucat semnificatia statistica este de patru sigma (se considera in fizica particulelor un rezultat bine stabilit daca seminficatia este de cel putin cinci sigma).

La ce ne ajuta acest studiu? Traind atat de putin quarcul top se dezintegreaza in asa-numita plasma de quarci si gluoni – cea care se formeaza atunci cand nuclele de plumb se ciocnesc si quarcii si gluonii care ii formeaza se dizolva in aceasta asa-numia supa primordiala care, se crede, exista imediat dupa Big Bang si din care, pe masura ce Universul se racea in urma expansiunii, a luat nastere materia, sub forma protonilor si a neutronilor, a atomilor si a galaxiilor actuale.

Posibilitatea de a studia proprietatile plasmei de quarci si gluoni cu ajutorul particulelor care se obtin din dezintegrarea quarcilor top cu diverse energii permite realizarea unui fel de video al evolutiei plasmei si deci a evolutiei Universului nostru in primele clipe ale existentei sale!

Rezultatele studiului colaborarii CMS vor fi publicate cat de curand in revista Phys. Rev. Lett si au starnit deja mult interes in comunitatea stiintifica, in special a celor care se ocupa de particule elementare, dar si de nasterea si evolutia Universului, adica de cosmologie.

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al Scientia.ro.