Иллюстрация представлена: CMS / CERN. В области квантовой механики, управляющей поведением оснвных элементарных частиц, наблюдается поразительное разнообразие. Среди этого многообразия выделяется топ-кварк — самая тяжёлая из всех известных элементарных частиц. Изучение свойств топ-кварка не просто удовлетворяет наше научное любопытство, оно также является ключом к пониманию фундаментальных сил, которые определяют структуру и эволюцию Вселенной. Большой адронный коллайдер (БАК) — уникальный инструмент современной науки, предоставляющий возможность исследовать этот микромир и разгадать тайны рождения и взаимодействия топ-кварка. Столкновения протонов в БАК сопровождаются мощными энергетическими всплесками, в результате которых образуется множество новых частиц. Среди продуктов таких столкновений часто встречаются пары топ-кварков, рождающиеся в компании других тяжёлых кварков, таких как b-кварк и c-кварк.
Эти события представляют огромный интерес для физиков, поскольку позволяют детально проверить предсказания квантовой хромодинамики (КХД) — теории, описывающей сильное взаимодействие. Сильное взаимодействие отвечает за сцепление кварков внутри протонов и нейтронов, а также за удержание ядер атомов.
Однако идентифицировать топ-кварки и их «спутников» — задача не из легких. Эти частицы чрезвычайно нестабильны и живут ничтожно малое время, прежде чем распасться на другие частицы. В результате топ-кварки не могут быть зарегистрированы напрямую, они оставляют после себя лишь косвенные следы — «струи» частиц, регистрируемые детекторами БАК.
Эти струи представляют собой узкие конусы частиц, движущихся в направлении, близком к направлению движения исходного кварка. Чтобы отличить b-струи и c-струи, возникшие в результате распада b- и c-кварков, от других струй, физики используют специальные алгоритмы. Эти алгоритмы анализируют характеристики струй, такие как пробег частиц до их распада и продукты их распада, чтобы выявить характерные признаки, позволяющие идентифицировать исходные кварки.
Рождение Т-кварков, иллюстрация. Источник: www.bing.com
Недавние исследования коллаборации ATLAS, одного из крупнейших экспериментов на БАК, посвящены именно такому детальному анализу событий с парами топ-кварков. Физикам удалось измерить сечения образования пар топ-кварков в сопровождении b- и c-струй с беспрецедентной точностью. Сечение — это величина, характеризующая вероятность протекания данного процесса при столкновении частиц. Чем больше сечение, тем чаще происходит данный процесс. Высокая точность измерений позволила детально проверить существующие теоретические модели КХД и выявить их недостатки. Оказалось, что некоторые модели недостаточно точно описывают процессы рождения дополнительных b- и c-кварков в событиях с парами топ-кварков. Это указывает на необходимость дальнейшего развития теоретических моделей и уточнения параметров КХД.
Иллюстративные диаграммы Фейнмана для производства tt + ≥2𝑐 и tt + 1𝑐: (a) производство tt + cc через излучение глюона в начальном состоянии, когда оба 𝑐-кварка образуют струю каждый, (b) производство tt + cc через излучение глюона в начальном состоянии, когда два 𝑐-кварка находятся в одной струе, (c) производство tt + 1𝑐, когда 𝑐-кварк возникает из начального состояния. Источник: arxiv.org
Полученные данные не только уточняют наши знания о взаимодействии топ-кварка с другими кварками, но и открывают новые возможности для исследования более редких процессов, таких как одновременное рождение четырех топ-кварков. Эти процессы, лежащие на границе современных теоретических представлений, могут скрывать подсказки о новой физике, выходящей за рамки Стандартной модели элементарных частиц. Стандартная модель — это теория, описывающая все известные элементарные частицы и их взаимодействия, за исключением гравитации. Однако Стандартная модель не может объяснить некоторые наблюдаемые явления, такие как существование темной материи и темной энергии, а также массу нейтрино. Поэтому физики активно ищут проявления новой физики, которая могла бы расширить Стандартную модель и дать ответы на эти вопросы.
Распределение световых, 𝑐- и 𝑏-струй для двумерного b/c-таггера в смоделированных событиях tt. Пунктирные линии соответствуют краям рабочих точек. Для визуализации к обеим осям дискриминанта применена стандартная логистическая функция. Контуры для каждого типа струи сглажены методом плотности ядра для улучшения читаемости, при этом контуры соответствуют линиям постоянной плотности. Два бина с 𝑏-метками находятся в левом верхнем углу дискриминанта, а бины с 𝑐-метками — справа от вертикальной пунктирной линии. Неотмеченные струи расположены в левом нижнем углу. Источник: arxiv.org
Изучение топ-кварка — это путешествие в самое сердце материи, где скрываются секреты ее строения и взаимодействия. Каждый новый эксперимент на БАК приближает нас к разгадке этих секретов, расширяя наши знания о фундаментальных законах Вселенной и открывая путь к новым открытиям, которые могут привести к революции в нашем понимании мира.
Исследования столкновения ультрарелятивистских ядер свинца на БАК показали следы рождения топ-кварков
Эксперимент CMS увидел следы рождения топ-кварков в столкновениях ультрарелятивистских ядер свинца на Большом адронном коллайдере со статистической точностью в 4 σ. Ранее рождение этой самой тяжелой элементарной частицы наблюдали только в протон-протонных и протон-ядерных столкновениях. Ожидается, что рождающиеся в столкновениях ядро-ядро топ-кварки помогут физикам пронаблюдать эволюцию кварк-глюонной плазмы с течением времени и лучше изучить ее свойства.
О полученных результатах сообщается в препринте статьи, а недавно она была принята к публикации в журнале Physical Review Letters. Топ-кварк — кварк третьего поколения, самый тяжелый из шести кварков, а также в принципе самая тяжелая из известных элементарных частиц. Впервые он был обнаружен 25 лет назад на Тэватроне в Фермилабе в столкновениях пар протон-антипротон, где в дальнейшем и были изучены ее основные свойства. Согласно предсказаниям
Стандартной модели время жизни топ-кварка составляет всего 5 × 10-25 секунды, что на порядок меньше характерного времени сильного взаимодействия. Благодаря этой особенности он не адронизируется (в отличие от всех остальных кварков), что делает его идеальной частицей для изучения материи, в которой он образуется.
Распределение частиц в рамках Стандартной модели по массам. Синие – лептоны, желтые – кварки, зеленые – бозоны. CMS / CERN
На Большом адронном коллайдере топ-кварк уже видели в столкновениях протон-протон и протон-ядро, однако эта частица представляет особый интерес для физиков в столкновениях ядро-ядро. Именно в них изучают кварк-глюонную плазму — состояние сильновзаимодействующей материи, в котором кварки и глюоны ведут себя как свободные от конфайнмента квазичастицы, подобно электронам и ионам в обычной плазме. Предполагается, что вселенная полностью состояла из кварк-глюонной плазмы на временных масштабах вплоть до микросекунд после Большого взрыва, из-за чего физикам особенно важно понять, как это состояние материи эволюционирует со временем.
Уже существует ряд методов изучения кварк-глюонной плазмы, мельчайшие «капли» которой рождаются в столкновениях ультрарелятивистских ядер на коллайдерах. К примеру, за ней наблюдают по уменьшению энергии проходящих сквозь нее джетов — струй частиц, рождающихся в ходе адронизации кварков и глюонов. Также за кварк-глюонной плазмой можно наблюдать по подавлению рождения кваркониев, но оба этих метода дают лишь ее усредненные по большому промежутку времени характеристики, ведь время происходящих в них процессов сопоставимо со временем жизни кварк-глюонной плазмы. А время жизни топ-кварка крайне мало, поэтому по взаимодействию продуктов его распада с кварк-глюонной плазмой в различные моменты ее существования можно составить более полную картину ее эволюции с течением времени. О возможностях такого метода ранее сообщалось в теоретическом исследовании одного из ученых в ЦЕРН.
Схематичное изображение возможностей наблюдения за эволюцией кварк-глюонной плазмы по ее взаимодействию с продуктами распада топ-кварка с учетом временных масштабов. CMS / CERN
Именно это делает особенно важным результат эксперимента CMS, в рамках которого в столкновениях ультрарелятивистских ядер свинца при энергии 5,02 тераэлектронвольт на нуклон-нуклонную пару физики увидели следы рождения топ-кварков. Сечение рождения считали двумя методами: в первом ученые наблюдали только за парами лептонов противоположного заряда (электронами и мюонами) в конечном состоянии, а во втором также учитывали присутствие в распаде джетов от адронизации прелестного кварка. В первом случае полученное сечение составило 2,5 ± 0,8 микробарн, во втором — 2,0 ± 0,7 микробарн, что сопоставимо с предсказаниями квантовой хромодинамики и результатами экспериментов с протон-протонными столкновениями.
Экспериментально полученное (черные точки) и предполагаемое число зарегистрированных событий от рождения пары топ-кварка и топ-антикварка (красное заполнение) и иных фоновых процессов. CMS / CERN
Важно отметить, что накопленные данные еще не достигли требуемой для подтверждения наблюдения топ-кварка в столкновениях ядро-ядро статистической точности в 5 σ: пока что ученым удалось набрать статистику на 4 σ. Тем не менее вероятность, что полученный результат — лишь статистическая флуктуация, не превышает 0,003 процента, а CMS расценивает этот результат как убедительную демонстрацию возможностей детектора по регистрации топ-кварка. Физики уверенны и в том, что данные о рождении этой частицы в ядро-ядерных столкновениях будут использованы для изучения с ее помощью кварк-глюонной плазмы.
Хоть обычно для получения кварк-глюонной плазмы используют тяжелые ядра, она также может рождаться и в протон-протонных столкновениях: на это указал избыток частиц со странным кварком в эксперименте ALICE.
Автор: Никита Козырев
Источник: https://nplus1.ru/, https://www.ixbt.com/
