Физики эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) получили независимое подтверждение существования самой массивной составной частицы из всех, что когда-либо наблюдались учёными. Речь идёт о мимолётном связанном состоянии истинного кварка и его античастицы — так называемом истинном кваркониии, или топонии. Результаты были представлены на конференции Rencontres de Moriond.
Истинный кварк — самая тяжёлая и самая короткоживущая из известных элементарных частиц. Долгое время считалось, что он распадается слишком быстро, чтобы успеть образовать какое-либо связанное состояние с другой частицей. Тем не менее новое исследование подкрепляет прошлогоднее наблюдение: истинные кварки всё же способны на мгновение объединяться в пары со своими антиматериальными двойниками. Такое связанное состояние завершает целое семейство кварк-антикварковых пар, удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием, и при этом является самым массивным из всех подобных объектов.
Чтобы понять значимость открытия, важно вспомнить общую картину. Привычная нам материя состоит из атомов, в которых электроны удерживаются рядом с протонами за счёт электромагнитной силы. Но сами протоны — не элементарные частицы: внутри них находятся кварки, связанные сильным ядерным взаимодействием. Простейшие составные частицы такого рода — это пары кварка и антикварка. На протяжении десятилетий подобные состояния были известны для всех типов кварков, кроме истинного. Впервые тот был обнаружен более 30 лет назад на ускорителе Tevatron близ Чикаго, а эксперименты на БАК позволили даже измерить квантовую запутанность между истинными кварками и антикварками.
Колоссальное количество столкновений на БАК — сотни миллионов пар истинного кварка и антикварка — фактически превратило ускоритель в их фабрику. Именно это позволило уловить крайне редкое явление. Первые намёки на существование топония появились при поиске тяжёлых частиц, похожих на бозон Хиггса: учёные заметили необычный избыток событий при массе, близкой к удвоенной массе истинного кварка. Это больше соответствовало связанному состоянию, а не новой фундаментальной частице.
Новое исследование CMS подошло к проблеме с другой стороны. Если прежде анализировались события, в которых оба истинных кварка распадаются на лептоны, то теперь учёные изучили случаи, когда один кварк распадается на нижний кварк, заряженный лептон и нейтрино, а другой — на струи частиц. «Выделить сигнал в этом канале распада было сложной задачей», — рассказал исследователь из Рочестерского университета Отто Хиндрихс, разработавший новый метод на основе искусственного интеллекта для анализа таких событий.
Аспирант Ю-Хэн Ю, участвовавший в работе, пояснил суть подхода: «Вместо того чтобы напрямую реконструировать массу пары истинного кварка и антикварка, мы сосредоточились на относительной скорости истинного кварка и антикварка. Если они образуют связанное состояние, их относительная скорость должна быть намного меньше, чем когда они рождаются независимо». Новые методы позволили зафиксировать превышение со статистической значимостью более пяти стандартных отклонений — это золотой стандарт для признания открытия в физике высоких энергий.
«Истинный кварконий тяжелее самого тяжёлого из известных атомных ядер, оганесона, что делает его самым массивным связанным состоянием из когда-либо наблюдавшихся», — отметила Регина Демина, руководитель группы CMS в Рочестерском университете. По её словам, это открытие углубляет понимание сильного ядерного взаимодействия и его способности связывать фундаментальные составляющие материи.