Ученые Европейской организации ядерных исследований CERN, работающие на Большом Адроном Коллайдере в рамках эксперимента ATLAS, объявили о получении убедительных доказательств того, что иногда в результате столкновений протонов могут образовываться сразу четыре истинных кварка. Это чрезвычайно редкое явление, согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, оно может происходить один раз из 70 тысяч случаев, когда в результате столкновений возникают пары истинных кварков. И естественно, что такие редкие события чрезвычайно трудно выделить из общего фона, создаваемого другими и уже давно известными процессами.
Истинный кварк - это самая массивная из элементарных частиц Стандартной модели, ее масса начинается на уровне 173 ГэВ, что эквивалентно массе одного атома золота. Однако, в отличие от атома того же золота, истинный кварк получает свою большую массу из-за взаимодействий с полями Хиггса. И когда в результате столкновений образуются сразу четыре истинных кварка, они образуют нечто вроде квазичастицы или маленькой области с энергией почти в 700 ГэВ. А такой уровень энергонасыщенности является идеальной средой для поисков новых частиц или новых областей физики, выходящих за рамки Стандартной модели. Это и стало причиной повышенного интереса к данным событиям со стороны ученых, ведь участие в них неизвестных частиц или областей физики должно приводить к большей частоте появления четырех истинных кварков, чем теоретическая частота, определяемая Стандартной моделью.
Во время поисков четырех истинных кварков ученые использовали наиболее полный набор данных LHC Run-2, собранный на коллайдере за период с 2015 по 2018 год. Обычно дальнейшая судьба четырех истинных кварков такова - они порождают четыре W-бозона и четыре джета (узкие фокусированные пучки), состоящие из частиц, результатов моментального распада нижних кварков. После этого наступает очередь распада W-бозонов, в результате которых получаются один заряженный лептон (электрон, мюон или тау-лептон) и частица нейтрино. И на заключительном этапе тау-лептоны распадаются на более легкие лептоны и дополнительные частицы нейтрино.
В своих поисках ученые сосредоточились на событиях, в которых фигурируют столкновения, приводящие к появлению в конце двух или трех лептонов. Несмотря на то, что на долю таких событий приходится всего 12 процентов от общего числа случаев появления четырех истинных кварков, подписи этих событий гораздо легче выделить из фона всех происходящих процессов, регистрируемых датчиком ATLAS. И даже в таких условиях ученым пришлось придумать и реализовать достаточно сложные процедуры выделения интересующих их данных из всего имеющегося набора.
В результате длительной математической обработки массива данных физики получили многомерный дискриминант (дерево решений), каждой ветвью которого являлись события определенного рода, энергии, угловые моменты и другие параметры участвующих в этих событиях частиц. Отметим, что большинство ветвей этого дерева решений, в которых фигурировали W-бозоны, Z-бозоны, бозоны Хиггса или одиночные истинные кварки, практически совпадали с ветвями подобного дерева, построенного учеными экспериментов ATLAS и CMS во время поисков случаев редкого распада бозона Хиггса на фотон и Z-бозон.
Проведя дополнительное математическое моделирование, которое позволило исключить или принять в расчет некоторые спорные случаи, ученые получили величину, отражающую частоту возникновения четырех истинных кварков, которое было равно 24 +7-6 fb. Это вполне согласовывается с прогнозами Стандартной модели, которая дает величину в 12 fb. Полученные учеными результаты имеет уровень стандартного отклонения (достоверности) в 4.3 сигма, что является уже достаточно убедительным, но не окончательным доказательством, для которого, как известно, требуется уровень в 5 сигма.
И ученые надеются, что данные, которые будут собраны во время следующего периода работы Большого Адронного Коллайдера, позволят им получить большую точность конечных результатов их расчетов, которая, в свою очередь, обеспечит уровень достоверности, достаточный для признания всего этого научным открытием.