Физики впервые обнаружили экзотические частицы «X» в кварк-глюонной плазме

В первые миллионные доли секунды после Большого взрыва Вселенная представляла собой бурлящую плазму с температурой в триллион градусов, состоящую из кварков и глюонов — элементарных частиц, которые на короткое время слились вместе в бесчисленных комбинациях, прежде чем охладиться и принять более стабильные конфигурации, чтобы сделать нейтроны и протоны из обычного вещества.

В хаосе перед охлаждением часть этих кварков и глюонов случайным образом сталкивалась, образуя короткоживущие частицы «X», названные так из-за их таинственной неизвестной структуры. X-частицы должны быть чрезвычайно редкими, хотя физики предполагают, что они могут быть созданы в ускорителях частиц в результате слияния кварков, где высокоэнергетические столкновения могут генерировать аналогичные вспышки кварк-глюонной плазмы.

Теперь физики обнаружили доказательства присутствия X-частиц в кварк-глюонной плазме, производимой на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований, расположенной недалеко от Женевы, в Швейцарии.

Команда ученых использовала методы машинного обучения, чтобы проверить более 13 миллиардов столкновений тяжелых ионов, каждое из которых произвело десятки тысяч заряженных частиц. Среди этого сверхплотного супа из высокоэнергетических частиц исследователи смогли выделить около 100 частиц типа X, известного как X (3872), названного в честь предполагаемой массы частицы.

Результаты, опубликованные в Physical Review Letters, отмечают, что исследователи впервые обнаружили частицы X в кварк-глюонной плазме — среде, которая, как они надеются, прольет свет на пока еще неизвестную структуру частиц.

«Это только начало истории», — говорит ведущий автор Йен-Джи Ли, профессор физики Массачусетского технологического института. «Мы показали, что можем найти сигнал. В ближайшие несколько лет мы хотим использовать кварк-глюонную плазму для исследования внутренней структуры X-частицы, что может изменить наше представление о том, какой материал должна была производить Вселенная».

Соавторы исследования являются членами CMS Collaboration, международной группы ученых, которая работает и собирает данные с Compact Muon Solenoid, одного из детекторов частиц БАК.

Частицы в плазме

Основными строительными блоками материи являются нейтрон и протон, каждый из которых состоит из трех тесно связанных кварков.

«В течение многих лет мы думали, что по какой-то причине природа решила производить частицы, состоящие только из двух или трех кварков», — говорит Йен-Джи Ли.

Только недавно физики начали замечать признаки экзотических «тетракварков» — частиц, состоящих из редкой комбинации четырех кварков. Ученые подозревают, что X (3872) — это либо компактный тетракварк, либо совершенно новый тип молекулы, состоящей не из атомов, а из двух слабо связанных мезонов — субатомных частиц, которые сами состоят из двух кварков.

X (3872) был впервые обнаружен в 2003 году в рамках эксперимента Belle, на коллайдере в Японии, который сталкивает высокоэнергетические электроны и позитроны. Однако в этой среде редкие частицы распадались слишком быстро, чтобы ученые могли детально изучить их структуру.

Было высказано предположение, что X (3872) и другие экзотические частицы могут лучше освещаться в кварк-глюонной плазме.

Действительно сигнал Х

В своем новом исследовании физики искали признаки X-частиц в кварк-глюонной плазме, генерируемой столкновениями тяжелых ионов в Большом адронном коллайдере. Они основывали свой анализ на наборе данных БАК за 2018 год, который включал более 13 миллиардов столкновений ионов свинца, каждое из которых высвобождало кварки и глюоны, которые рассеивались и сливались, образуя более квадриллиона короткоживущих частиц перед охлаждением и распадом.

«После того, как кварк-глюонная плазма сформировалась и остыла, образовалось так много частиц, что фон стал подавляющим», — говорят ученые. «Поэтому нам пришлось сбить этот фон, чтобы мы могли в конечном итоге увидеть X-частицы в наших данных».

Для этого команда исследователей использовала алгоритм машинного обучения, который они научили выделять характерные для X-частиц закономерности распада. Сразу после образования частиц в кварк-глюонной плазме они быстро распадаются на «дочерние» частицы, которые разлетаются. Для частиц X эта картина распада или угловое распределение отличается от всех других частиц.

Исследователи определили ключевые переменные, которые описывают форму картины распада X-частиц. Они обучили алгоритм машинного обучения распознавать эти переменные, а затем предоставили алгоритму фактические данные из экспериментов по столкновению на БАК. Алгоритм смог просеять чрезвычайно плотный и зашумленный набор данных, чтобы выбрать ключевые переменные, которые, вероятно, были результатом распада X-частиц.

В итоге физики сумели снизить фон на несколько порядков, чтобы увидеть сигнал, указывающий на присутствие частиц X (3872) — их оказалось всего около 100.

«Почти немыслимо, что мы можем выделить эти 100 частиц из такого огромного набора данных», — говорят исследователи.

В ближайшие год или два ученые планируют собрать гораздо больше данных, которые должны помочь выяснить структуру X-частицы. Если частица представляет собой прочно связанный тетракварк, она должна распадаться медленнее, чем если бы это была слабосвязанная молекула.

Теперь, когда команда физиков показала, что частицы X могут быть обнаружены в кварк-глюонной плазме, они планируют более подробно исследовать эту частицу с помощью кварк-глюонной плазмы, чтобы определить структуру частицы X.

«В настоящее время наши данные согласуются с двумя сценариями, потому что у нас пока нет достаточной статистики. В следующие несколько лет мы будем собирать гораздо больше данных, чтобы мы могли разделить эти два сценария», — говорит Йен-Джи Ли. «Это расширит наше представление о видах частиц, которые в изобилии производились в ранней Вселенной».