Эксперимент ALICE на Большом адронном коллайдере впервые непосредственно измерил явление, известное как "мертвый конус", что позволило физикам напрямую измерить массу фундаментальной частицы, известной как "очарованный кварк".
Многие частицы, образующие видимую вселенную вокруг нас, на самом деле являются составными частицами, построенными из менее массивных фундаментальных частиц, известных как кварки. Например, протоны и нейтроны содержат по три кварка. Существует шесть различных "ароматов" кварков - вверх, вниз, вверху, внизу, странный и очарованный - каждый из которых имеет различные массы, спины и другие квантовые свойства. Различные комбинации кварков также образуют различные частицы. Кварки удерживаются вместе в этих составных частицах под действием сильной силы, которая передается через безмассовую частицу, называемую глюоном. В совокупности кварки и глюоны известны как "партоны".
На Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе под Женевой (Швейцария) протоны ускоряются сильными магнитными полями через туннель длиной 27 км до энергии в 6,8 ТэВ, после чего сталкиваются друг с другом. В результате столкновений образуется каскад других частиц, которые сами испускают или распадаются на еще большее количество частиц, и так далее по каскаду, который может пролить свет на аспекты фундаментальной физики.
В частности, кварки и глюоны образуются и испускаются в каскаде, называемом партонным ливнем, где кварки испускают глюоны, а сами глюоны могут испускать другие, более низкоэнергетические глюоны.
Ученые, работающие над проектом ALICE (его название сокращается от A Large Ion Collider Experiment), проанализировали трехлетние данные протон-протонных столкновений, чтобы найти доказательства существования мертвого конуса. Согласно теории квантовой хромодинамики, или КХД, которая описывает, как работает сильная сила, мертвый конус - это область, где партоны определенной массы и энергии не могут испускать глюоны.
"Было очень сложно наблюдать мертвый конус напрямую", - сказал представитель ALICE Лучано Муса в заявлении для прессы.
Отчасти сложность заключается в том, что мертвая зона может быть заполнена другими субатомными частицами, созданными в протон-протонных столкновениях, а отследить движение партона через ливень непросто, поскольку он постоянно меняет направление.
Для решения этой проблемы ученые, сотрудничающие с ALICE, разработали метод, с помощью которого они смогли перемотать записи партонных ливней назад во времени, что позволило им определить, где и когда были испущены побочные продукты ливня. В частности, они искали ливни, в которых участвовал очарованный кварк. Разбирая эти ливни, ученые обнаружили в картине глюонного излучения, испускаемого во время партонных ливней, область, где излучение глюонов было подавлено. Это и есть мертвый конус.
Находка важна не только потому, что она подтверждает предсказание КХД, но и потому, что теперь появилась возможность напрямую измерить массу очарованного кварка, которая, согласно теории и косвенным измерениям, составляет 1,275 +/-25 МэВ/c2. Согласно КХД, мертвый конус напрямую связан с массой партона, а безмассовые частицы не могут создавать мертвый конус.
"Массы кварков являются фундаментальными величинами в физике частиц, но они не могут быть доступны и измерены непосредственно в экспериментах, поскольку, за исключением топ-кварка, кварки заключены внутри составных частиц, - говорит Андреа Дайнезе, координатор физики ALICE.
Поэтому открытие мертвого конуса может проложить путь к новой эре физики кварков".