Физики проверяют, действуют ли топ-кварки по правилам теории относительности
В первом исследовании такого рода на Большом адронном коллайдере (БАК) ученые из коллаборация CMS проверили, соответствуют ли топ-кварки (t-кварк) специальной теории относительности Эйнштейна.
Наряду с квантовой механикой, специальная теория относительности Эйнштейна служит основой Стандартной модели физики элементарных частиц. В ее основе лежит концепция, называемая симметрией Лоренца: экспериментальные результаты не зависят от ориентации или скорости эксперимента, с которым они получены.
Специальная теория относительности выдержала испытание временем. Однако некоторые теории, включая отдельные модели теории струн, предсказывают, что при очень высоких энергиях специальная теория относительности больше не будет работать, а экспериментальные наблюдения будут зависеть от ориентации эксперимента в пространстве-времени.
Остатки такого нарушения симметрии Лоренца можно было бы наблюдать при более низких энергиях, например, при энергиях Большого адронного коллайдера, но, несмотря на предыдущие усилия, они не были обнаружены ни на БАКе, ни на других коллайдерах.
В своем недавнем исследовании коллаборация CMS искала нарушение симметрии Лоренца на БАК, используя пары топ-кварков — самых массивных известных элементарных частиц. В этом случае зависимость от ориентации эксперимента будет означать, что скорость, с которой пары топ-кварков образуются в столкновениях протонов на БАК, будет меняться со временем.
Точнее, поскольку Земля вращается вокруг своей оси, направление протонных пучков БАК и среднее направление топ-кварков, образующихся при столкновениях в центре эксперимента CMS, также меняются в зависимости от времени суток.
Как следствие, и если есть предпочтительное направление в пространстве-времени, скорость производства пар топ-кварков будет меняться в зависимости от времени суток. Следовательно, обнаружение отклонения от постоянной скорости будет равносильно обнаружению предпочтительного направления в пространстве-времени.
Новый результат CMS, основанный на данных второго запуска БАК, согласуется с постоянной скоростью, что означает, что симметрия Лоренца не нарушается, а специальная теория относительности Эйнштейна остается в силе. Исследователи CMS использовали этот результат, чтобы установить пределы на величину параметров, которые, как предсказывается, должны быть равны нулю, когда симметрия сохраняется.
Полученные пределы улучшаются в 100 раз по сравнению с результатами предыдущего поиска нарушения симметрии Лоренца на бывшем ускорителе Теватрон.
Результаты прокладывают путь для будущих поисков нарушения симметрии Лоренца на основе данных топ-кварков из третьего запуска БАК. Они также открывают дверь для изучения процессов с участием других тяжелых частиц, которые могут быть исследованы только на БАК, таких как бозон Хиггса и W- и Z-бозоны.
Исследование опубликовано в журнале Physics Letters B.