За пределами кварков: БАК подтвердил фундаментальность материи на экстремальных масштабах

Международная группа исследователей, работающая с детектором CMS на Большом адронном коллайдере, провела наиболее детальный на сегодняшний день анализ углового распределения диджетов — пар потоков частиц, рождающихся при столкновении протонов. Полученные данные не только подтвердили ключевые положения Стандартной модели, но и наложили более жесткие рамки на существование гипотетических феноменов, таких как субструктура кварков, теория дополнительных пространственных измерений и квантовые чёрные дыры.

Согласно современным канонам физики, кварки являются истинно элементарными частицами, лишенными какой-либо внутренней структуры. Однако научная история полна примеров, когда объекты, считавшиеся фундаментальными, на деле оказывались сложными системами — достаточно вспомнить переход от неделимых атомов к их ядерно-электронному строению. Исследования на БАК призваны проверить, не скрывается ли за «точными» кварками некий скрытый уровень материи.

В ходе эксперимента на установке CMS сталкивались протоны с энергией 13 ТэВ, распадавшиеся при взаимодействии на кварки и глюоны. Эти частицы разлетались, формируя узкие пучки — джеты. Физики анализировали углы разлета этих джетов через переменную χ_dijet, обладающую высокой чувствительностью к малейшим аномалиям, которые могли бы свидетельствовать о нарушении Стандартной модели. Непревзойденная точность текущих расчётов позволила провести фундаментальную проверку теории на принципиально ином уровне.

Исследователи применили методологию SMEFT (эффективная теория поля), которая позволяет фиксировать «косвенные следы» физики за пределами стандартных представлений, даже если новые частицы слишком тяжелы для непосредственного обнаружения. Ученые искали признаки того, что известные частицы — например, глюоны — взаимодействуют необычным образом под влиянием невидимых пока факторов.

Анализ результатов второго сеанса работы коллайдера показал, что угловая динамика диджетов в основном соответствует законам квантовой хромодинамики. Зафиксированные незначительные отклонения в диапазонах инвариантных масс (от 2.4 до 4.8 ТэВ и выше 6 ТэВ) пока остаются в рамках статистической погрешности, хотя и требуют дальнейшего наблюдения как потенциальные признаки «новой физики».

По итогам работы были установлены рекордные по своей строгости ограничения на ряд экзотических гипотез:

• Составность кварков: возможность наличия внутренней структуры у кварков исключена для энергетических масштабов до 17–37 ТэВ.
• Квантовые чёрные дыры: существование объектов этого типа, предполагаемое теориями дополнительных измерений, отвергнуто для масс менее 8.5 ТэВ.
• Дополнительные измерения: виртуальное влияние гравитонов, предсказываемое многомерными моделями, ограничено пределом в 13.4 ТэВ.
• Аксионоподобные частицы: были уточнены параметры допустимых аномальных связей и триплетно-глюонных взаимодействий.

Данная работа подтверждает устойчивость Стандартной модели при сверхвысоких энергиях и создает надежную базу для будущих экспериментов на модернизированном ускорителе (High-Luminosity LHC). Полученные результаты сужают поле для поиска экзотических теорий, фактически закрывая многие амбициозные прогнозы, которые предсказывали прорыв в физику высоких энергий непосредственно в текущем диапазоне.

Источник: iXBT