Τι είναι το τοπόνιο;

Το 1995 όταν ο Alexander Grohsjean ήταν 16 χρονών, προβληματίστηκε από μια επιστημονική είδηση που διάβασε στην τοπική γερμανική εφημερίδα Saarbrücker Zeitung. Πήρε μαζί του το απόκομμα στο σχολείο αναζητώντας κάποιον καθηγητή για να του εξηγήσει τα γραφόμενα, αλλά τελικά μπερδεύτηκε περισσότερο. Η είδηση αφορούσε το κορυφαίο (top) κουάρκ που ανακαλύφθηκε στα πειράματα του Tevatron και οι φυσικοί είχαν εκτιμήσει την μάζα του μεταξύ 151 και 197 GeV/c². Γι αυτό χαρακτηρίστηκε ως το βαρύτερο όλων των γνωστών στοιχειωδών σωματιδίων. 

Όσο ακατανόητο φαίνονταν το κορυφαίο κουάρκ στον μαθητή Grohsjean, τόσο περισσότερο κέντριζε το ενδιαφέρον του. Έτσι, όταν μεγάλωσε κατέληξε να γίνει φυσικός. Τώρα ανήκει στην ερευνητική ομάδα CMS, ένα από τα κύρια πειράματα που συλλέγουν δεδομένα από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN. Και πριν από μερικές ημέρες παρουσίασε στο συνέδριο Rencontres de Moriond την εργασία της ομάδας CMS με τίτλο «Measurements at the top quark-antiquark production threshold at CMS» . Εκεί αναφέρεται σε ένα απροσδόκητο χαρακτηριστικό στα πειραματικά δεδομένα τους, το οποίο πιθανότατα δείχνει την ύπαρξη του μικρότερου σύνθετου σωματιδίου που έχει παρατηρηθεί μέχρι σήμερα. Ένα «οιονεί δεσμευμένο» αδρόνιο, συστατικά του οποίου είναι το μακροβιότερο και βραχυβιότερο θεμελιώδες σωματίδιο και το αντίστοιχο αντισωματίδιό του.

Το κορυφαίο κουάρκ μπορεί στιγμιαία να ζευγαρώσει με το αντι-κορυφαίο κουάρκ και να δημιουργήσει ένα σύνθετο σωματίδιο που ονομάζεται toponium (τοπόνιο ή κορυφόνιο;). Όμως, η παρατήρηση αυτή χρειάζεται περισσότερη διερεύνηση, ενώ καλό θα ήταν να επιβεβαιωθεί και από το αδελφό πείραμα του CMS, το ATLAS.

Οι υψηλής ενέργειας συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων στον LHC παράγουν και ζεύγη κορυφαίων κουάρκ-αντικουάρκ . Η μέτρηση της πιθανότητας να παραχθεί ζεύγος  είναι ταυτόχρονα και ένας σημαντικός έλεγχος του καθιερωμένης θεωρίας των στοιχειωδών σωματιδίων και ένας ισχυρός τρόπος αναζήτησης για την ύπαρξη νέων σωματιδίων. Πολλά από τα ανοιχτά ερωτήματα στη σωματιδιακή φυσική, όπως η φύση της σκοτεινής ύλης, μας οδηγούν προς την αναζήτηση νέων σωματιδίων που πιθανόν να είναι πολύ βαριά για να έχουν παραχθεί σε πειράματα μέχρι τώρα.

Αν υπάρχουν, τέτοια σωματίδια αναμένεται να αλληλεπιδρούν πιο ισχυρά με το κορυφαίο κουάρκ το οποίο έχει 184 φορές μεγαλύτερη μάζα από αυτή του πρωτονίου. Κι αν έχουν αρκετή μάζα ώστε να διασπαστούν σε ένα ζεύγος κορυφαίου-αντικορυφαίου κουάρκ, το γεγονός θα εντοπίζεται εύκολα στους ανιχνευτές καθώς τα δύο τεράστια κουάρκ διασπώνται σε «πίδακες» σωματιδίων.

Επομένως, η παρατήρηση περισσότερων ζευγών κορυφαίων-αντικορυφαίων κουάρκ από το αναμενόμενο θεωρείται συχνά ως ένδειξη για την παρουσία επιπλέον μποζονίων τύπου Higgs. Τα δεδομένα του CMS έδειξαν ακριβώς ένα τέτοιο πλεόνασμα. Περιέργως, τα επιπλέον ζεύγη κορυφαίων κουάρκ παρατηρήθηκαν στην ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή ενός τέτοιου ζεύγους. Αυτό οδήγησε την ομάδα να εξετάσει μια εναλλακτική υπόθεση που θεωρείται από καιρό δύσκολο να ανιχνευθεί: μια βραχύβια σύνδεση ενός κορυφαίου κουάρκ και ενός κορυφαίου αντικουάρκ – το σύνθετο σωματίδιο που ονομάζεται τοπόνιο.

Ενώ τα ζεύγη  δεν σχηματίζουν σταθερές δέσμιες καταστάσεις, οι υπολογισμοί της κβαντικής χρωμοδυναμικής – η οποία περιγράφει το πώς η ισχυρή πυρηνική δύναμη ενώνει τα κουάρκ σε αδρόνια – προβλέπουν δέσμιες καταστάσεις στο όριο παραγωγής ζεύγους κορυφαίου – αντικορυφαίου κουάρκ.

Αν και δεν μπορούν να αποκλειστούν άλλες εξηγήσεις – π.χ. επιπλέον μποζόνια Higgs-, η ενεργός διατομή που υπολογίστηκε στο πείραμα CMS για μια απλουστευμένη υπόθεση παραγωγής τοπονίου είναι 8,8 picobarns με αβεβαιότητα περίπου 15%. Αυτό ξεπερνά το επίπεδο βεβαιότητας των «5 σίγμα» που καθορίζει μια ανακάλυψη στη σωματιδιακή φυσική και καθιστά εξαιρετικά απίθανο η παρατήρηση να είναι απλά μια στατιστική διακύμανση.

Εφόσον το αποτέλεσμα επιβεβαιωθεί, το τοπόνιο θα είναι το τελευταίο παράδειγμα ενός κουαρκονίου – ένας όρος που αναφέρεται στις ασταθείς καταστάσεις κουάρκ-αντικουάρκ. Όπως για παράδειγμα το charmonium (γοητευτικόνιο) που πυροδότησε τη Νοεμβριανή Επανάσταση στη σωματιδιακή φυσική του 1974, και το  bottomonium (πυθμενόνιο).

Το γοητευτικόνιο και το πυθμενόνιο έχουν μέγεθος περίπου 0,6 και 0,4 femtometer (1fm=10^-15m) αντίστοιχα. Το πυθμενόνιο πιστεύεται πως είναι το μικρότερο αδρόνιο που έχει ανακαλυφθεί. Όμως, δεδομένης της μεγαλύτερης μάζας του, το τοπόνιο αναμένεται να είναι πολύ μικρότερο, παίρνοντας δίκαια τον χαρακτηρισμό ως το μικρότερο γνωστό αδρόνιο.

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, πιστευόταν ότι οι δεσμευμένες καταστάσεις τοπονίων ήταν απίθανο να ανιχνευθούν σε συγκρούσεις αδρονίων με αδρόνια. Το κορυφαίο κουάρκ διασπάται σε ένα κάτω κουάρκ και ένα μποζόνιο W στον χρόνο που χρειάζεται το φως για να ταξιδέψει μόλις 0,1 fm – ένα κλάσμα του μεγέθους του ίδιου του σωματιδίου. Επομένως, το τοπόνιο θα είναι το μοναδικό μεταξύ των κουαρκονίων, καθώς η διάσπασή του προκαλείται από την αυθόρμητη αποσύνθεση ενός από τα κουάρκ που το αποτελούν, παρά από την αμοιβαία εξαύλωση ύλης-αντιύλης των συστατικών του.

Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες:
1. Don’t call it toponium – https://www.symmetrymagazine.org/article/dont-call-it-toponium?language_content_entity=und
2. Intriguing excess of top-quark pairs hints at discovery of smallest composite particle – https://phys.org/news/2025-04-intriguing-excess-quark-pairs-hints.html?utm_source=twitter.com&utm_medium=social&utm_campaign=v2
3. CMS observes top–antitop excess – https://cerncourier.com/a/cms-observes-top-antitop-excess-2
4. Observation of a pseudoscalar excess at the top quark pair production threshold – https://arxiv.org/abs/2503.22382

Πηγή:https://physicsgg.me/