CERN 的科學家在全球最大的粒子加速器中觀察到一種意外現象，這表明宇宙中最重且壽命最短的粒子可能並不像先前認為的那樣孤獨。頂夸克的行為中出現的這一意外特徵，顯示這些基本粒子形成了一種短暫的結合，這一現象之前已在 CERN 的大型強子對撞機（LHC）中的 CMS 實驗中觀察到。
該發現已由其姊妹實驗 ATLAS 確認，並在 7 月 7 日於法國馬賽舉行的歐洲物理學會高能物理會議上公佈。這一發現暗示，頂夸克（也稱為真實夸克），作為所有基本粒子中最重的，能夠與其反物質對應物短暫配對，形成一種稱為頂子（toponium）的準束縛態。
為了更好地理解這一難以捉摸的相互作用，物理學家將轉向對強核力進行複雜的理論計算，這一過程被稱為量子色動力學（QCD）。
儘管頂夸克在 LHC 的高能質子碰撞中經常被產生，但它們極不穩定，並在不到一兆分之一的兆分之一秒內衰變，因此被認為是孤立的粒子。這種短暫性使得它們似乎無法像較輕的夸克那樣相互作用，形成如質子或介子等粒子。
然而，去年，CMS 研究人員在分析 2016 至 2018 年的大量頂夸克–反夸克產生數據時，發現了意外的頂夸克–反夸克對的過剩，這通常被視為未發現粒子的有力證據。這一過剩恰好發生在產生這樣一對頂夸克所需的最小能量下，這一門檻使得準束縛態的形成變得更有可能。
這促使團隊考慮另一種假設，即頂夸克和反夸克的短暫結合，這一現象長期以來被認為太難以在 LHC 中檢測。ATLAS 確認其數據中存在相同的效應，從而排除了更簡單的解釋，並與 CMS 的發現高度一致。
事實上，頂夸克–反夸克對可以停留足夠長的時間，短暫地結合成頂子狀態，這一相互作用由強核力的信使——膠子所介導。
CMS 的科學家測量頂夸克–反夸克過剩的產生率為 8.8 皮巴（picobarns），不確定度為 1.3 皮巴，超過了粒子物理學中宣稱發現所需的五西格瑪（sigma）閾值。CMS 發言人 Gautier Hamel de Monchenault 表示：「觀察到的這一非相對論性 QCD 效應，長期以來被認為難以檢測，是 LHC 實驗計劃的一大勝利。」他補充道，團隊期待與理論家密切合作，以更好地理解這一標準模型的有趣方面。
ATLAS 使用其從 2015 年到 2018 年收集的完整 Run-2 數據集確認了該發現，報告的截面為 9.0±1.3 皮巴，並以 7.7 西格瑪的顯著性排除了非頂子的模型。然而，確定這一意外現象的原因仍然具有挑戰性。
一種可能性是新粒子，其質量接近頂夸克的兩倍，形成於膠子碰撞中，並衰變為頂夸克–反夸克對。確認這一點將需要通過尖端的 QCD 計算對夸克和膠子的行為進行精確建模。這一微妙效應長期以來被認為在 LHC 中無法測量，因為接近閾值的事件稀少且難以檢測。ATLAS 發言人 Stéphane Willocq 在一份新聞稿中表示：「然而，得益於在 LHC Run 2 中記錄的大量質子-質子數據和分析技術的進步，這一長期假設現在正在被推翻。」
如果頂子是真實存在的，這將標誌著粒子物理學的一個重大里程碑，與查爾蒙子（charmonium）和底子（bottomonium）一起，成為一系列短暫的夸克–反夸克狀態中的最新成員。隨著 LHC 的第三次運行正在進行，科學家們正準備獲取更多有關強力的見解。
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