4 мая 2022

Ученые ЦЕРН измерили массу топ-кварка с беспрецедентной точностью

ЦЕРН Классическая сигнатура пары топ-кварков, образующихся в столкновениях LHC, - это четыре струи (желтые конусы), один мюон (красная линия, также обнаруженная детекторами мюонов CMS в виде красных прямоугольников) и недостающая энергия нейтрино (розовая стрелка) ЦЕРН

Ученые эксперимента CMS на Большом Адронном Коллайдере выполнили самое точное на сегодняшний день измерение массы истинного (top) кварка — самой тяжелой из известных элементарных частиц. Полученная точность измерений составляет 0.22 процента, и она была достигнута за счет использования новых аналитических методов, улучшенных процедур итераций и одновременной компенсации различных типов отклонений при проведении экспериментов.

Знание точных значений массы элементарных частиц имеет первостепенную важность для понимания устройства нашего мира на самом маленьком уровне. Обладание данными о массе самой тяжелой элементарной частицы имеет еще большее значение, так как это позволяет выполнить проверки внутренних последовательностей и математического описания других элементарных частиц, которые входят в состав Стандартной Модели.

Например, если с достаточно высокой точностью известны значения массы W-бозона и бозона Хиггса, то масса истинного кварка может быть вычислена также с достаточной точностью. Аналогично, используя данные о массе истинного кварка и бозона Хиггса, может быть вычислена масса W-бозона. Однако, несмотря на достаточно большой прогресс в этой области, ученые-физики все еще испытывают затруднения в создании полного теоретического определения массы, которое никак не хочет согласоваться с некоторыми странностями квантовой механики.

Несмотря на все упомянутые выше затруднения, ученым уже известно, что стабильность нашей Вселенной зависит напрямую от значения массы истинного кварка и бозона Хиггса. Более того, наша Вселенная находится практически на грани стабильности, если бы масса истинного кварка немного отличалась бы от нынешнего значения в одну или другую сторону, то Вселенная бы утратила стабильность и исчезла бы в высокоэнергетическом событии, подобном Большому Взрыву.

Для проведения высокоточных измерений значения массы истинного кварка, ученые использовали набор данных, собранных датчиками эксперимента CMS в 2016 году. Из этого набора были выбраны только данные, имеющие отношение к столкновениям, в которых появляется пара истинных кварков. При этом были произведены измерения пяти различных параметров таких столкновений, а не трех, которые измерялись во время предыдущих подобных исследований. И эти два дополнительных параметра имеют прямое отношение к массе истинного кварка.

Кроме этого ученые провели процедуру чрезвычайно тонкой калибровки данных датчика CMS, получив на руки высокоточные значения экспериментальной и теоретической погрешностей и взаимосвязей между ними. При помощи такого инновационного подхода погрешность была практически исключена из расчетов, что дало значение массы истинного кварка, равное 171.77±0.38 ГэВ, что прекрасно согласуется с результатами предыдущих измерений и прогнозами Стандартной Модели.

Дальнейшим шагом, который намерены сделать ученые, станет применение нового метода анализа и расчетов к наборам данных, собранным в 2017 и 2018 годах. И после этого, вполне естественно, можно ожидать появления еще более точного значения массы истинного кварка.