Свидетельства наличия верхних кварков в столкновениях тяжелых ядер

Результаты недавних исследований коллаборации CMS открывают путь к новому и уникальному изучению экстремального состояния материи, которое, как считается, существовало вскоре после Большого взрыва. Коллаборация обнаружила доказательства существования верхних кварков в столкновениях между тяжелыми ядрами на Большом адронном коллайдере (БАК).

Это не первый случай, когда эта особая частица — самая тяжелая из известных элементарных частиц, появляется на коллайдерах частиц. Топ–кварк был впервые обнаружен в протон-антипротонных столкновениях на коллайдере Теватрон 25 лет назад, и с тех пор был обнаружен и изучен в протон–протонных и протонно–ядерных столкновениях на баке.

Но новое открытие, описанное в статье, только что принятой к публикации в Physical Review Letters, несомненно, вызовет интерес как у экспериментаторов, так и у теоретиков, поскольку анализ верхних кварков в столкновениях тяжелых ядер предлагает новый и уникальный способ изучения кварк-глюонной плазмы, которая образуется в этих столкновениях и, как считается, существовала в ранние моменты Вселенной.

Кроме того, такой анализ мог бы пролить новый свет на расположение кварков и глюонов внутри тяжелых ядер.

Не существует недостатка в частицах или зондах (частиц для исследования чего-либо), с помощью которых можно исследовать кварк–глюонную плазму. Эксперименты на БАКе уже давно используют несколько типов частиц для изучения свойств этого экстремального состояния материи, в котором кварки и глюоны не заключены в составные частицы, а вместо этого перемещаются подобно частицам в жидкости с малым сопротивлением трению.

Но все существующие зонды дают усредненную по времени информацию о плазме. В противоположность этому, верхний кварк, благодаря особому способу, которым он трансформируется или распадается на другие частицы, может создавать моментальные снимки плазмы в различные периоды ее жизни.

— Более быстро движущиеся верхние кварки дают более поздние снимки. Собирая снимки, сделанные с верхними кварками в диапазоне различных скоростей, мы надеемся, что в конечном итоге удастся создать фильм про эволюцию кварк–глюонной плазмы», — объясняет исследователь из ЦЕРНа Гильерме Милано, который был соавтором теоретического исследования по зондированию кварк–глюонной плазмы с верхними кварками. «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. Команда ученых искала столкновения, производящие 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. Физики CMS 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 CMS оценила вероятность столкновения свинец-свинец с образованием пар топ кварк-антикварк посредством заряженных лептонов и нижних кварков.

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 свидетельство процесса — есть только 0,003% вероятности, 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,-говорит физик CMS Георгиос Кринтирас, — и это первая ступенька в использовании топ-кварка в качестве нового и мощного зонда кварк–глюонной плазмы.»

A. M. Sirunyan et al. Evidence for top quark production in nucleus-nucleus collisions. Phys. Rev. Lett. (2020)
journals.aps.org/prl/accepted/ … 6863814716f152636202   arxiv.org/abs/2006.11110