La colaboración ATLAS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN ha reportado un exceso en la producción de quarks top-antitop con una significancia estadística superior a 8 sigma, muy por encima del umbral de 5 sigma requerido convencionalmente para un descubrimiento. El resultado, publicado en Reports on Progress in Physics, apunta a la formación del “toponio”: un estado cuasiligero y efímero en el que las partículas elementales más pesadas conocidas se abrazan brevemente antes de desintegrarse.
Los quarks top son los titanes del Modelo Estándar. Cada uno pesa tanto como un átomo de oro, comprimido en un volumen más pequeño que un protón. En el LHC, se producen en pares cuando los protones chocan a 13 billones de electronvoltios. Cerca del umbral de energía donde comienza esa producción (aproximadamente 345 GeV, o alrededor del doble de la masa del quark top), la teoría predice que los dos quarks deberían sentir la presencia del otro con la suficiente fuerza como para formar un estado ligado transitorio, de la misma manera que un protón y un electrón pueden formar un átomo de hidrógeno.
Esa predicción, arraigada en el marco de la cromodinámica cuántica no relativista (NRQCD), existe desde hace décadas. Sin embargo, encontrarla en la práctica se consideró durante mucho tiempo experimentalmente imposible en un colisionador de hadrones, donde los restos de cada colisión entierran los efectos sutiles en una tormenta de ruido.
“Solo ha sido posible gracias a los esfuerzos recientes para conectar la teoría de la información cuántica con la física de colisionadores”, dijo Yoav Afik, físico de ATLAS en el Instituto Enrico Fermi de la Universidad de Chicago.
El análisis aprovechó los observables de correlación de espín, una técnica desarrollada a través de estudios anteriores de entrelazamiento cuántico en pares de quarks top, para mejorar la sensibilidad a la estructura de espín única del sistema top-antitop cerca del umbral. Utilizando 140 femtobarnios inversos de datos de la Ejecución 2, la colaboración midió la sección transversal para los estados de toponio cuasiligados en 9,3 picobarnios, aproximadamente un 45 % más grande que la predicción basal de QCD perturbativa de 6,43 picobarnios. La hipótesis del solo Modelo Estándar (sin toponio) fue descartada con 8,2 sigma observados y 6,0 sigma esperados.
El resultado fue anticipado un año antes por la colaboración CMS. En marzo de 2025, CMS anunció un primer indicio de una señal por encima de 5 sigma en la conferencia Rencontres de Moriond en los Alpes italianos. Durante los meses siguientes, ambos experimentos verificaron de forma cruzada el hallazgo. En julio de 2025, ATLAS había confirmado de forma independiente el exceso en 7,7 sigma, y las dos colaboraciones presentaron resultados conjuntos en la conferencia EPS-HEP en Marsella.
“La observación de un efecto de QCD no relativista que se consideraba demasiado difícil de detectar es un gran triunfo para el programa experimental del LHC”, dijo Gautier Hamel de Monchenault, portavoz de CMS en ese momento, en una declaración de 2025.
El exceso toma la forma de un estado cuasiligado de onda S de singlete de color y singlete de espín, una configuración consistente con la partícula de toponio pseudoescalar que los teóricos han predicho durante mucho tiempo pero nunca detectaron. La medición de la sección transversal de ATLAS de 9,3 picobarnios se alinea bien con la medición anterior de CMS de 8,8 picobarnios, diferenciándose solo dentro de sus respectivas incertidumbres.
“Es un hallazgo muy emocionante que lleva nuestra comprensión actual de la física del quark top y su modelado al extremo”, dijo Afik.
Una pregunta central sigue siendo si la señal puede explicarse completamente por efectos de la NRQCD del Modelo Estándar, o si también está en juego una contribución exótica, como un bosón similar al Higgs adicional cerca de 345 GeV que se desintegra en quarks top. John Ellis, físico teórico del King’s College de Londres y del CERN, señaló cuando el resultado de CMS apareció por primera vez en 2025 que “la señal reportada por CMS, de confirmarse, podría deberse a un mesón top-antitop cuasiligado, comúnmente llamado ‘toponio’, o posiblemente a un bosón elemental de espín cero como el que aparece en modelos con bosones de Higgs adicionales, o quizás incluso a una combinación de ambos.”
La Ejecución 3 en curso del LHC, que ya ha recogido más del doble de la luminosidad integrada del conjunto de datos de la Ejecución 2 utilizado en este análisis, debería proporcionar las estadísticas necesarias para discriminar entre estas posibilidades.
Baptiste Ravina, investigador principal del CERN, dijo: “Con el conjunto de datos recién recogido de la Ejecución 3, que es más del doble de grande que el conjunto de datos de la Ejecución 2 utilizado en este primer análisis, podremos escudriñar este exceso con mucho más detalle y determinar si puede describirse únicamente por efectos de QCD no relativista, o si hay algo más”.
Ya sea toponio o impostor, el resultado marca la primera vez que un efecto umbral sutil, considerado durante mucho tiempo fuera del alcance de la física de colisionadores de hadrones, se ha puesto en claro relieve. Encontrar el toponio medio siglo después del descubrimiento del quark encanto, el evento que dio origen a la física moderna de sabores pesados, sería, como dijo Ellis cuando surgieron los primeros indicios, un “regalo de aniversario de oro inesperado y bienvenido” para la física de partículas.
Source
The ATLAS Collaboration. “Observation of a cross-section enhancement near the ttbar production threshold in sqrt(s)=13 TeV pp collisions with the ATLAS detector.” Reports on Progress in Physics, Volume 89, Number 5. DOI: 10.1088/1361-6633/ae60a0. Published 7 May 2026.
Traducido por Alessandra