«Романтика» в Большом адронном коллайдере: зачем топ-кварки образуют пары
Сделанное учеными наблюдение может свидетельствовать о существовании ранее неуловимого состояния материи — так называемого «топония», временного квазисвязанного состояния топ-кварка и антикварка.
Топ-кварки являются уникальными элементарными частицами: они обладают наибольшей массой и живут столь недолго, что, в отличие от других кварков, обычно не успевают образовать связанное состояние — адрон. Тем не менее, согласно законам квантовой механики, если пара топ-кварк-антикварк рождается практически в покое относительно друг друга, они могут обмениваться глюонами — переносчиками сильного взаимодействия, — и формировать кратковременное связанное состояние. Ранее считалось, что такое поведение невозможно наблюдать в условиях протон-протонных столкновений на БАК из-за того, что события такого рода происходят чрезвычайно редко и анализировать их невероятно сложно.
Тем не менее, специалисты из CMS, анализируя данные 2016−2018 годов, обнаружили избыток топ-кварковых пар в области минимума энергии, необходимой для их рождения. Это неожиданное превышение стандартного фона подтолкнуло физиков к гипотезе образования топония — экзотического аналога давно известных семейств мезонов чармония и боттомония, состоящих из тяжелых кварков и их антиподов. С учетом этой гипотезы, CMS определил вероятность процесса на уровне 8,8 пикобарн с погрешностью около 1,3 — статистически значимый результат, с уровнем достоверности выше пяти сигма, что является порогом открытия в физике частиц.
Спустя год эксперимент ATLAS подтвердил этот результат, проанализировав полные данные второго цикла работы коллайдера. Статистическая значимость наблюдаемого эффекта в ATLAS составила 7,7 сигма, а измеренная вероятность — 9,0 пикобарн, что практически совпадает с результатами CMS. Это исключает случайное совпадение и модели, игнорирующие образование квазисвязанного состояния.
Однако физики пока что не торопятся с окончательными выводами. Альтернативным объяснением явления может быть существование новой, неизвестной частицы с массой около удвоенной массы топ-кварка, которая распадается на наблюдаемую пару. Чтобы различить эти сценарии, необходимо провести детальное моделирование процессов взаимодействия кварков и глюонов в условиях высокоэнергетических столкновений — эта задача требует сложнейших расчетов в рамках квантовой хромодинамики (QCD).
Тем не менее, сам факт обнаружения настолько тонкого эффекта, который ранее считался недостижимым на адронном коллайдере, стал настоящим прорывом. Как отметил представитель ATLAS Стефан Виллок, это стало возможно благодаря огромному объему данных, собранных в Run-2, и серьезному прогрессу в методах анализа. Если гипотеза существования топония подтвердится, это будет первым примером квазисвязанного состояния топ-кварков — последнего тяжелого кварка, для которого такое состояние еще не было зафиксировано.
В истории физики уже были аналогичные вехи: в 1974 году открытие чармония вызвало так называемую «Ноябрьскую революцию», а спустя три года был обнаружен боттомоний. Обнаружение топония не просто замкнет цепочку, но и углубит понимание сильного взаимодействия — одного из четырех фундаментальных взаимодействий природы. С началом третьего цикла работы БАК (Run-3), ученые рассчитывают собрать еще больше данных и продолжить изучение этого загадочного явления, которое уже продемонстрировало, как много нам еще предстоит узнать о, казалось бы, хорошо знакомой Стандартной модели.
Ранее российские ученые помогли разгадать тайны материи и антиматерии в экспериментах на БАК.
