Свежие результаты эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) окончательно подтвердили обнаружение топония — экзотического связанного состояния, состоящего из топ-кварка и его античастицы. Этот объект официально признан самой массивной композитной структурой, известной науке, что завершает классификацию пар «кварк–антикварк», удерживаемых сильным ядерным взаимодействием.
Топ-кварк выделяется среди других элементарных частиц своей колоссальной массой и крайне коротким временем существования. Ранее в научной среде господствовало мнение, что он распадается слишком быстро, чтобы успеть сформировать связанную систему. Однако новые данные CMS, озвученные на престижной конференции Rencontres de Moriond, подкрепляют прошлогодние гипотезы о том, что топ-кварки всё же способны на мгновение объединяться в пары.
Материя в макромире состоит из атомов, где электромагнитные силы удерживают электроны на орбитах вокруг ядер. Сами нуклоны — это сложные адроны, в которых кварки сцеплены сильным взаимодействием. Наиболее элементарными примерами таких систем являются пары кварк-антикварк, позволяющие детально изучать механизмы работы сильных сил. До недавнего времени подобные конфигурации наблюдались у всех типов кварков, за исключением самого тяжелого — топ-кварка.
Иллюстрация: D. Dominguez / CERN
С момента первого обнаружения топ-кварка на ускорителе Tevatron прошло более тридцати лет. В эпоху LHC физики перешли к изучению его тонких свойств, включая квантовую запутанность. Несмотря на то что топ-кварк обычно аннигилирует раньше, чем возникают стабильные связи, колоссальный объем данных, генерируемый коллайдером, позволил вычленить признаки этого редчайшего физического явления.
Первые намеки на существование топония проявились в ходе поиска массивных частиц, родственных бозону Хиггса. Исследователи обнаружили аномальный избыток событий при энергии около 346 ГэВ (что соответствует удвоенной массе топ-кварка). Это указывало на возникновение временного композитного состояния, а не новой фундаментальной частицы. Анализы коллабораций CMS и ATLAS подтвердили данную аномалию в тех случаях, когда оба кварка распадались с образованием лептонов.
В текущем цикле исследований CMS был применен альтернативный метод: ученые анализировали события, где один топ-кварк превращался в лептон и нейтрино, а второй порождал адронные струи. «Идентификация сигнала в этом сложном канале стала возможной благодаря инновационным алгоритмам реконструкции на базе искусственного интеллекта», — поясняет Отто Хиндрихс из Университета Рочестера.
Вместо традиционного измерения массы системы, физики сосредоточились на изучении относительных скоростей разлета частиц. Если топ-кварки образуют связанное состояние, их скорость относительно друг друга будет значительно ниже, чем при независимом рождении.
поясняет исследователь Ю-Хэн Ю
Применение этой методики позволило достичь статистической значимости в 5 сигма — порога, который в физике высоких энергий официально подтверждает научное открытие. Таким образом, существование топония получило независимое и неоспоримое доказательство.
«Топоний превосходит по массе даже оганесон — самый тяжелый элемент таблицы Менделеева. Это делает его уникальным объектом для изучения сильного взаимодействия и расширяет наши горизонты в понимании того, как фундаментальные компоненты Вселенной связываются друг с другом», — подводит итог Регина Демина, возглавляющая группу CMS в Университете Рочестера.
Источник: iXBT
