Quarkul top este cea mai grea particulă din Modelul Standard şi, prin urmare, are o viaţă extrem de scurtă. Pentru a-l genera este nevoie de multă energie. Pentru prima dată un experiment de la CERN, CMS, a obţinut dovezi ale producerii acestui quarc în coliziuni de nuclee de plumb. Acest studiu ne va permite să obţinem informaţii despre primele clipe ale Universului imediat după Big bang: când Universul era o supă de quarci şi gluoni.

Din ce este alcătuită materia? Din atomi – este primul răspuns care ne trece prin minte. Dar atomii? Din electroni şi nuclee, iar nucleele la rândul lor din protoni şi neutroni. Ei bine, protonii şi neutronii sunt compuşi din quarci! Quarcii şi electronii – din câte ştim în prezent – sunt particule elementare, adică nu sunt compuse din particule mai mici. Toate particulele elementare pe care le cunoaştem, atât cele care compun atomii dar şi altele care trăiesc puţin şi sunt produse la acceleratoarele de particule sau provin din Univers sub forma razelor cosmice, alcătuiesc aşa-numitul Model Standard al fizicii particulelor elementare. Acest model conţine pe lângă quarcii care compun protonii şi neutronii (up şi down) alţi patru quarci mai grei – care au fost produşi şi studiaţi la acceleratoare. Cel mai greu quark – care reprezintă şi cea mai grea particulă a Modelului Standard, adică 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 că are o masă aşa de mare, este greu de produs la acceleratoare, întrucât necesită ca acestea să ciocnească particule la energii foarte mari – unde, prin transformarea energiei în masă (este vorba de energia cinetică a fasciculelor de particule) pot genera quarcul top. Quarcul top este ultimul quarc descoperit – acest lucru s-a întâmplat acum 25 de ani în SUA la Tevatron unde protonii de ciocneau cu antiprotonii şi au generat inclusiv quarci top.

Recent însă experimentul CMS de la marele accelerator de particule LHC de la CERN (Geneva) a reuşit să descopere generarea de quarci top, împreună cu anti-quarci top, în coliziuni de nuclee de plumb la energii de circa 5 TeV. Ceea ce au măsurat cercetătorii nu este quarkul top însuşi ci particulele generate din lunga serie de dezintegrări ale acestuia – întrucât quarcul top practic se dezintegrează instantaneu – având o durată de viaţă de ordinul yoctosecundei!!! Yoctosecunda reprezintă 10 la puterea minus 24 de secunde! Ceva incredibil de mic! Pe lângă viaţa acestui quarc cea a quarcului bottom, al doilea de greu, adică o picosecundă (10 la puterea minus 12 secunde) pare o eternitate!

Rezultatul va trebui să fie confirmat în viitor prin alte măsurători, întrucât semnificaţia statistică este de patru sigma (se considera în fizica particulelor un rezultat bine stabilit dacă semnificaţia este de cel puţin cinci sigma).

La ce ne ajută acest studiu? Trăind atât de puţin quarcul top se dezintegrează în aşa-numita plasmă de quarci şi gluoni – cea care se formează atunci când nuclele de plumb se ciocnesc şi quarcii şi gluonii care îi formează se dizolvă în această aşa-numită supă primordială care, se crede, exista imediat după Big Bang şi din care, pe măsură ce Universul se răcea în urma expansiunii, a luat naştere materia, sub forma protonilor şi a neutronilor, a atomilor şi a galaxiilor actuale.

Posibilitatea de a studia proprietăţile plasmei de quarci şi gluoni cu ajutorul particulelor care se obţin din dezintegrarea quarcilor top cu diverse energii permite realizarea unui fel de video al evoluţiei plasmei şi deci a evoluţiei Universului nostru în primele clipe ale existenţei sale!

Rezultatele studiului colaborării CMS vor fi publicate cât de curând în revista Phys. Rev. Lett şi au stârnit deja mult interes în comunitatea ştiinţifică, în special a celor care se ocupă de particule elementare, dar şi de naşterea şi evoluţia Universului, adică de cosmologie.

[Articol scris de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesor la Colegiului Naţional “Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe]