CMS observa indicios fuertes del toponio, un estado no perturbativo de una pareja quark-antiquark top

La vida media del quark top (cima), 0.5 yoctosegundos, es inferior al tiempo de hadronización, 3 yoctosegundos. Por ello, no existe en QCD perturbativa el toponio, un mesón formado por un par quark-antiquark top. Pero en QCD no relativista (NRQCD) predice un estado no perturbativo llamado «toponio», que se debe observar como una pseudorresonancia. La colaboración CMS del LHC acaba de publicar la observación a más de 5 sigmas del estado fundamental del toponio, η_t, tras analizar 138 fb⁻¹ de colisiones protón-protón a 13 TeV c.m. Este estado no relativista de tipo pseudoescalar solo se puede observar alrededor de su masa, 343 GeV/c² (2 × m_t − 2, con m_t = 172.5, asumiendo una energía de ligadura de 2 GeV); la anchura de su pseudorresonancia se estima en 2.8 GeV (el doble de la anchura de la resonancia del quark top). La sección eficaz estimada σ(η_t) = 8.8^+1.2_−1.4 pb (picobarns), en buen acuerdo con las predicciones teóricas NRQCD, 6.43 ± 0.90 pb.

El artículo de CMS afirma haber observado el estado fundamental del toponio, η_t ≡ ¹S₀^[1] a más de cinco sigmas de significación estadística. Por desgracia, en una búsqueda similar ATLAS no logró observarlo. Hasta que no se publique la confirmación (a cinco sigmas) de ATLAS no se podrá hablar de un descubrimiento. También será necesario verificar que el toponio observado es un pseudoescalar (0⁻), como predice la teoría. Y, más aún, habrá que observar su estado excitado χ_t ≡ ³S₀^[1]. Por ello queda aún mucho por hacer para proclamar el descubrimento de la partícula (compuesta) más masiva del modelo estándar. Todos esperamos que este éxito de CMS sea corroborado en un futuro por ATLAS y que se cumplan todas las condiciones que garantizan un descubrimiento. En cualquier caso, se trata de un nuevo éxito del LHC. El artículo es CMS Collaboration, «Observation of a pseudoscalar excess at the top quark pair production threshold,» arXiv:2503.22382 [hep-ex] (28 Mar 2025), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.22382.

Más información divulgativa en este vídeo de Juan Antonio Aguilar Saavedra, «Toponium: ¿Una nueva partícula? | Lo más pequeño y pesado del universo,» IFT YouTube, 20 Feb 2025. Recomiendo su artículo J. A. Aguilar-Saavedra, «Toponium hunter’s guide,» Physical Review D 110: 054032 (23 Sep 2024), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.110.054032. También recomiendo la pieza optimista de Tommaso Dorigo, «Toponium Found By CMS!» A Quantum Diaries Survivor, 10 Apr 2025.

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