頂夸克對的產生觀察到的在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機 (LHC) 與 ATLAS 偵測器的鉛對鉛碰撞中，標誌著首次觀察到原子核之間相互作用的過程。
顯示每核子對 5.02 TeV 的鉛-鉛碰撞，導致一對候選頂夸克衰變成其他粒子。此事件包含四個粒子噴流（黃色錐體）、一個電子（綠線）和一個μ子（紅線）。鑲嵌物顯示了事件的軸向視圖。圖片來源：ATLAS / CERN。
在夸克-膠子等離子體中，質子和中子的基本組成部分－夸克（物質粒子）和膠子（強力載體）－沒有被束縛在粒子內，而是以一種不受限制的物質狀態存在，形成幾乎完美的緻密流體。
物理學家認為，夸克-膠子等離子體在大爆炸後短暫地充滿了宇宙，其研究讓人們得以一窺宇宙歷史早期的條件。
然而，在重離子碰撞中產生的夸克-膠子等離子體的壽命極短——大約 10-23秒——意味著無法直接觀察。
相反，物理學家研究這些碰撞中產生並穿過夸克-膠子等離子體的粒子，將它們用作等離子體特性的探針。
特別是，頂夸克是夸克-膠子等離子體隨時間演化的非常有前途的探測器。
作為已知最重的基本粒子，頂夸克衰變成其他粒子的速度比形成夸克-膠子等離子體所需的時間快一個數量級。
碰撞和頂夸克衰變產物與夸克-膠子等離子體相互作用之間的延遲可以充當“時間標記”，為研究等離子體的時間動力學提供了獨特的機會。
此外，物理學家還可以提取有關核部分子分佈函數的新信息，該函數描述了核子（質子或中子）的動量如何在其組成夸克和膠子之間分佈。
在這項新研究中，ATLAS Collaboration 的物理學家研究了大型強子對撞機第二次運行期間每核子對 5.02 太電子伏 (TeV) 碰撞能量下發生的鉛離子碰撞。
他們觀察到雙輕子通道中頂夸克的產生，其中頂夸克衰變成底夸克和W玻色子，隨後衰變成電子或μ子以及相關的中微子。
此結果具有 5.0 個標準差的統計顯著性，使其成為首次觀察到核-核碰撞中頂夸克對的產生。
物理學家表示：“我們測量了頂夸克對的生產率或橫截面，相對不確定度為 35%。”
“整體不確定性主要由數據集大小決定，這意味著正在進行的第 3 次運行中的新重離子數據將提高測量的精度。”
「新結果為夸克-膠子等離子體的研究打開了一扇窗，」他們補充道。
「在未來的研究中，我們還將考慮重離子碰撞中頂夸克對的半輕子衰變通道，這可能使他們能夠第一眼看到夸克-膠子等離子體隨時間的演化。”
