Открытие топония: эксперимент CMS подтвердил существование самой тяжелой составной частицы
Неуловимое объединение топ-кварка и его антикварка
Коллаборация CMS, проводящая эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАК), представила новое независимое измерение, подтверждающее существование топония — самой массивной составной частицы из когда-либо наблюдавшихся. Ученые обнаружили, что топ-кварк и его антикварк способны на кратковременное объединение в связанное состояние, несмотря на предельно малое время жизни этой элементарной частицы. Результаты исследования были обнародованы на престижной конференции Rencontres de Moriond, что знаменует собой важный этап в изучении сильного ядерного взаимодействия.
Новое измерение, проведенное экспериментом CMS на Большом адронном коллайдере, существенно укрепляет позиции физиков в понимании природы сильного взаимодействия. Долгое время считалось, что топ-кварк, будучи самой тяжелой и самой короткоживущей элементарной частицей из известных, распадается слишком быстро, чтобы образовать связанные состояния. Однако свежий результат, полученный коллаборацией CMS и представленный на этой неделе на конференции Rencontres de Moriond, подтверждает прошлогоднее наблюдение о том, что топ-кварки могут, на самом деле, кратковременно образовывать пары со своими анти-аналогами. Это мимолетное связанное состояние, известное как топоний, завершает семейство кварк-антикварковых состояний, скрепленных сильным ядерным взаимодействием, становясь самым массивным представителем в этом ряду.
Большая часть окружающей нас материи состоит из атомов, где электромагнитная сила удерживает электроны рядом с протонами, однако сами протоны не являются элементарными. Они принадлежат к широкому семейству составных частиц, называемых адронами, внутри которых кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием. Простейшими среди адронов являются пары кварка со своим собственным антикварком, которые дают особенно четкое представление о работе этой фундаментальной силы. На протяжении десятилетий такие связанные состояния были известны для всех типов кварков, кроме самого неуловимого: топ-кварка.
Впервые обнаруженный более 30 лет назад на ускорителе Теватрон, топ-кварк с тех пор постоянно изучается, а эксперименты на БАК дошли до того, что позволили измерить квантовую запутанность между топ-кварками и антикварками. Даже при образовании вместе с антикварком топ-кварк обычно распадается до того, как может сформироваться какое-либо связанное состояние. Тем не менее, сотни миллионов пар топ-кварк-антикварк, образованных на БАК, фактически превращают его в фабрику топ-кварков, предоставляя такой огромный массив данных, что самые редкие явления могут оставить обнаруживаемый след.
Первые признаки существования топония появились в ходе поисков тяжелых частиц, подобных бозону Хиггса, которые могли распадаться на пару топ-кварк-антикварк. Однако в новом исследовании CMS проблема рассматривается под другим углом. Вместо прямого поиска избытка массы, ученые сфокусировались на кинематике процесса. «Вместо того чтобы напрямую восстанавливать массу пары топ-кварк-антикварк, мы сосредоточились на относительной скорости топ-кварка и антикварка», — объясняет Ю-Хенг Ю, аспирант, участвовавший в анализе. «Если они образуют связанное состояние, их относительная скорость должна быть намного меньше, чем когда они образуются независимо друг от друга».
Для реализации этого подхода исследователи изучили события, в которых один топ-кварк распадается на нижний кварк, заряженный лептон и нейтрино, а другой распадается на кварки, которые образуют струи, или «джеты», частиц. «Выделить сигнал в этом канале распада было непросто», — говорит Отто Хиндрихс, исследователь из Университета Рочестера, разработавший новую методику с использованием искусственного интеллекта для реконструкции этих событий столкновений. Применение методов машинного обучения позволило эффективно отсеивать фоновые процессы.
Эти новые методы оказались весьма эффективными. В результате было обнаружено превышение концентрации с уровнем статистической значимости более пяти стандартных отклонений — эталон открытия в физике высоких энергий. Полученный результат представляет собой новое, статистически независимое подтверждение образования топония, что делает существование этой частицы не просто статистической флуктуацией, а твердо установленным фактом.
Топоний представляет собой уникальный объект для физики. Регина Демина, руководитель группы CMS в Рочестерском университете, подчеркивает масштаб этого явления: «Топоний тяжелее самого тяжелого из известных атомных ядер, оганессона, что делает его самым массивным связанным состоянием из когда-либо наблюдавшихся». Она добавляет: «Его открытие углубляет наше понимание сильного ядерного взаимодействия и его способности связывать фундаментальные составляющие материи».
Таким образом, проведенное исследование не только впервые с высокой статистической достоверностью (более пять сигма) независимо подтвердило существование топония, но и продемонстрировало эффективность нового подхода к анализу данных, основанного на измерении относительной скорости частиц. Работа закрывает последнее белое пятно в семействе кваркониев (связанных состояний кварк-антикварк), подтверждая, что даже самая нестабильная элементарная частица способна на доли секунды формировать сложные структуры, что дает физикам уникальный инструмент для проверки предсказаний квантовой хромодинамики в экстремальных условиях.