Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Учёные из ЦЕРН (Европейской организации по ядерным исследованиям) зафиксировали неожиданное явление на крупнейшем в мире ускорителе частиц, которое предполагает, что самые тяжёлые и короткоживущие частицы во Вселенной могут быть не такими «одинокими», как считалось ранее.
Эта непредвиденная особенность в поведении топ-кварков указывает на то, что данные элементарные частицы образуют мимолётный союз, который ранее наблюдался во время эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН.
Как сообщается, это наблюдение было подтверждено дочерним экспериментом ATLAS и представлено в понедельник, 7 июля, на конференции Европейского физического общества по физике высоких энергий в Марселе, Франция.
Открытие подразумевает, что топ-кварки, также известные как истинные кварки, являющиеся самыми массивными из всех элементарных частиц, могут на мгновение объединяться со своими антиматериальными аналогами — антикварками — для создания квазисвязанного состояния, называемого топонием (состояния, в котором топ-кварк и топ-антикварк связаны друг с другом, подобно электрону и протону в атоме водорода).
Чтобы лучше понять природу этого неуловимого взаимодействия, физики теперь обратятся к сложным теоретическим расчётам сильного ядерного взаимодействия, известным как квантовая хромодинамика (КХД – теория, описывающая взаимодействия между кварками и глюонами).Прорыв в алхимии – На БАК в ЦЕРН превратили Свинец в Золото
Квантовая связь бросает вызов ожиданиям физиков
Хотя топ-кварки регулярно рождаются при столкновениях протонов высоких энергий на БАК, они крайне нестабильны и распадаются менее чем за триллионную долю триллионной доли секунды, заслужив репутацию «одиночных» частиц.
Столь короткое время жизни долгое время делало невозможным их взаимодействие по аналогии с более лёгкими кварками, которые образуют такие частицы, как протоны или мезоны (частицы, состоящие из кварка и антикварка).
Однако в прошлом году, анализируя большой набор данных о рождении пар топ-кварк-антикварк за 2016–2018 годы в поисках новых типов бозонов Хиггса (элементарные частицы, отвечающие за наличие массы у других частиц), исследователи CMS заметили неожиданный избыток таких пар, который часто считается убедительным признаком существования неоткрытых частиц.
Этот избыток наблюдался точно при минимальной энергии, необходимой для рождения пары топ-кварков — пороге, где формирование квазисвязанного состояния становится более вероятным.
Это привело команду к рассмотрению альтернативной гипотезы — мимолётного союза топ-кварка и антикварка, который долгое время считался слишком неуловимым для обнаружения на БАК. Эксперимент ATLAS подтвердил наличие того же эффекта в своих данных, тем самым исключив более простые объяснения и подтвердив выводы CMS.
Как оказалось, пары топ-кварк-антикварк могут существовать достаточно долго, чтобы на короткое время связаться в состояние топония. Это взаимодействие опосредовано глюонами — переносчиками сильного ядерного взаимодействия.
Формирование редкого союза
Учёные CMS измерили сечение рождения избыточных пар топ-кварк-антикварк.
Оно составило 8,8 пикобарн (единица измерения, характеризующая вероятность взаимодействия частиц) с погрешностью 1,3 пикобарн, что превысило порог в 5 сигма (стандарт в физике частиц, при котором результат считается открытием, указывая на крайне низкую вероятность совпадения).
«Наблюдение нерелятивистского эффекта КХД, который считался слишком сложным для обнаружения, является большим триумфом для экспериментальной программы БАК», — заявил Готье Амель де Моншено, представитель коллаборации CMS.
Он добавил, что команда с нетерпением ждёт тесной работы с теоретиками для лучшего понимания этого интригующего аспекта Стандартной модели (теоретическая конструкция, описывающая большинство известных взаимодействий элементарных частиц).
ATLAS подтвердил открытие, используя полный набор данных сеанса работы Run-2 (период сбора данных с 2015 по 2018 год), сообщив о почти идентичном поперечном сечении в 9,0±1,3 пикобарн и отвергнув модели без топония со значимостью 7,7 сигма. Однако точное определение причины этого неожиданного явления остаётся сложной задачей.
Одна из возможностей — это новая частица с массой, близкой к удвоенной массе топ-кварка, которая образуется при столкновении глюонов и распадается на пару топ-кварк-антикварк. Для подтверждения этого потребуется точное моделирование поведения кварков и глюонов с помощью передовых расчётов КХД.
«Долгое время считалось, что этот тонкий эффект невозможно измерить на БАК, поскольку околопороговые события редки и их трудно обнаружить. Однако благодаря огромному объёму данных протон-протонных столкновений, записанных во время сеанса Run 2, и усовершенствованию методов анализа это давнее предположение теперь опровергнуто», — сказал представитель ATLAS Стефан Виллок.
Если существование топония подтвердится, это станет вехой в физике частиц, и он присоединится к шармонию и боттомонию, как новейший представитель короткоживущих состояний кварк-антикварк. С началом сеанса работы Run 3 на БАК учёные готовятся получить новые данные о природе сильного взаимодействия.
Поделись видео:
