Физики нашли доказательства образования верхних кварков при ядерных столкновениях

Новые результаты работы коллаборации CMS на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа впервые демонстрируют, что верхние кварки образуются при столкновениях ядра с ядром. Полученные результаты открывают путь к новому и уникальному исследованию экстремального состояния материи, которое, как считается, существовало вскоре после Большого взрыва.

При массе, примерно в 170 раз превышающей массу протона, верхний кварк является самой тяжелой из известных элементарных частиц.

Впервые наблюдаемая в протон-антипротонных столкновениях на Теватроне 25 лет назад, эта частица также является уникальным и потенциально очень мощным инструментом для понимания внутреннего содержания материи.

Создание пары частица-античастица такого массивного кварка требует, чтобы большое количество кинетической энергии было преобразовано в массу посредством одного элементарного взаимодействия.

Кварки и глюоны внутри протонов и нейтронов имеют очень большой разброс энергии. Поэтому лишь малая часть их столкновений проходит пороговую энергию, необходимую для образования топ-кварков.

Это означает, что, выбирая события, содержащие верхние кварки, мы неявно изучаем только самые энергичные элементарные столкновения. Как следствие принципа Гейзенберга, эти столкновения исследуют наименьшие пространственно-временные расстояния.

Большая масса верхнего кварка также приводит к тому, что он распадается быстрее, чем любой другой известный кварк. В то время как среднее время жизни верхнего кварка составляет порядка йоктосекунды (10^-24 с), время жизни его собрата, нижнего кварка, составляет порядка пикосекунды (10^-12 С).

Это важно, потому что йоктосекунда все еще в сотни раз короче времени, необходимого для протекания квантово-хромодинамических процессов (КХД). Эти процессы КХД включают адронизацию, которая «одевает» все другие кварки до тех пор, пока конечное состояние не содержит только нейтральные по цвету частицы, где цвет является эквивалентом заряда КХД.

Дополнительными примерами являются образование, расширение и охлаждение кварк-глюонной плазмы, для каждого из которых требуется время порядка 10^-22 С.

Поэтому, в отличие от других кварков, верхний кварк распадается до того, как такие процессы могут произойти. Он также может распадаться в самой кварк-глюонной плазме. Этот распад приводит к образованию других кварков, которые испытывают интенсивное взаимодействие с кварк-глюонной плазмой.

Исходя из вышеизложенных причин, верхние кварки могут дать представление о столкновениях с самой высокой энергией. Они также позволяют физикам изучать, как кварки, полученные в результате распада топ-кварков, испытывают «гашение» своей энергии при взаимодействии с кварк-глюонной плазмой.

“Более быстрые верхние кварки дают более поздние снимки времени», — сказал доктор Гильерме Милано, физик из ЦЕРНа. “Собирая снимки, сделанные с верхними кварками в диапазоне различных скоростей, мы надеемся, что в конечном итоге удастся создать фильм эволюции кварк-глюонной плазмы. Новый результат CMS представляет собой самый первый шаг на этом пути.”

Коллаборация CMS обнаружила доказательства наличия верхних кварков в большой выборке данных о столкновениях свинца со свинцом при энергии 5,02 ТэВ.

Исследователи искали столкновения, порождающие верхний кварк и верхний антикварк. Эти кварки очень быстро распадаются на W-бозон и нижний кварк, которые, в свою очередь, также очень быстро распадаются на другие частицы.

Ученые искали частный случай, в котором конечными продуктами распада являются заряженные лептоны (электроны или их более тяжелые родственники мюоны) и «струи» множества частиц, происходящих из нижних кварков.

После выделения и подсчета этих событий ученые оценили вероятность того, что столкновения свинец-свинец приведут к образованию пар верхнего кварка и антикварка через заряженные лептоны и нижние кварки.

Результат имеет статистическую значимость около четырех стандартных отклонений, поэтому он еще не перешагнул порог в пять стандартных отклонений, необходимый для того, чтобы утверждать о наблюдении производства топ-кварков.

Но это представляет собой значительное доказательство процесса — есть только 0,003% шанс, что результат является статистической случайностью.

Более того, результат согласуется с теоретическими предсказаниями, а также с экстраполяциями из предыдущих измерений вероятности протон-протонных столкновений при той же энергии столкновения.

“Наш результат демонстрирует способность эксперимента CMS проводить исследования топ-кварков в сложной среде столкновений тяжелых ядер”, — говорят ученые. «И это первый шаг к использованию верхнего кварка в качестве нового и мощного зонда кварк-глюонной плазмы.”

Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.