顶夸克对的产生观察到的在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机 (LHC) 与 ATLAS 探测器的铅对铅碰撞中，标志着首次观察到原子核之间相互作用的这一过程。
显示每核子对 5.02 TeV 的铅-铅碰撞，导致一对候选顶夸克衰变成其他粒子。该事件包含四个粒子射流（黄色锥体）、一个电子（绿线）和一个μ子（红线）。镶嵌物显示了事件的轴向视图。图片来源：ATLAS / CERN。
在夸克-胶子等离子体中，质子和中子的基本组成部分——夸克（物质粒子）和胶子（强力载体）——没有被束缚在粒子内，而是以一种不受限制的物质状态存在，形成几乎完美的致密流体。
物理学家认为，夸克-胶子等离子体在大爆炸后短暂地充满了宇宙，其研究让我们得以一睹宇宙历史早期的状况。
然而，夸克-胶子等离子体在重离子碰撞中产生时的寿命极短——大约 10-23秒——意味着无法直接观察到。
相反，物理学家研究这些碰撞中产生并穿过夸克-胶子等离子体的粒子，将它们用作等离子体特性的探针。
特别是，顶夸克是夸克-胶子等离子体随时间演化的非常有前途的探测器。
作为已知最重的基本粒子，顶夸克衰变成其他粒子的速度比形成夸克-胶子等离子体所需的时间快一个数量级。
碰撞和顶夸克衰变产物与夸克-胶子等离子体相互作用之间的延迟可以充当“时间标记”，为研究等离子体的时间动力学提供了独特的机会。
此外，物理学家还可以提取有关核部分子分布函数的新信息，该函数描述了核子（质子或中子）的动量如何在其组成夸克和胶子之间分布。
在这项新研究中，ATLAS Collaboration 的物理学家研究了大型强子对撞机第二次运行期间每核子对 5.02 太电子伏 (TeV) 碰撞能量下发生的铅离子碰撞。
他们观察到双轻子通道中顶夸克的产生，其中顶夸克衰变成底夸克和W玻色子，随后衰变成电子或μ子以及相关的中微子。
该结果具有 5.0 个标准差的统计显着性，使其成为首次观察到核-核碰撞中顶夸克对的产生。
物理学家表示：“我们测量了顶夸克对的生产率或横截面，相对不确定度为 35%。”
“总体不确定性主要由数据集大小决定，这意味着正在进行的第 3 次运行中的新重离子数据将提高测量的精度。”
“新结果为夸克-胶子等离子体的研究打开了一扇窗，”他们补充道。
“在未来的研究中，我们还将考虑重离子碰撞中顶夸克对的半轻子衰变通道，这可能使他们能够第一眼看到夸克-胶子等离子体随时间的演化。”
