Топ-кварки впервые были обнаружены в столкновении ядер свинца на Большом адронном коллайдере (БАК). Это обнаружение представляет собой значительный прогресс в нашем понимании первых долей секунды после Большого взрыва, когда Вселенная была погружена в суп из кварков и глюонов.
Кварк-глюонная плазма (КГП) - это состояние материи, которое образуется при экстремальных температурах и плотностях. Кварки образуют протоны и нейтроны, а глюоны удерживают кварки вместе, передавая сильное ядерное взаимодействие. В то время как кварки и глюоны обычно заключены внутри нуклонов, КГП характеризуется их временным высвобождением.
Согласно космологическим моделям, такое состояние преобладало во Вселенной в первые доли секунды после Большого взрыва, отсюда и название «первобытный суп». Впоследствии элементарные частицы объединились в процессе адронизации, породив обычную материю. Существует шесть типов — или ароматов — кварков. Восходящий и нисходящий кварки составляют протоны и нейтроны, а остальные четыре — очарованный, странный, нижний и верхний — появляются только в явлениях очень высоких энергий. Недавнее исследование также предполагает возможное присутствие в протоне собственного очарованного кварка, хотя эта гипотеза все еще обсуждается в научном сообществе.
Топ-кварк — самый массивный из шести, его масса сопоставима с массой небольшой молекулы, например кофеина. Но эта большая масса также приводит к высокой нестабильности: топ-кварк распадается примерно за 5×10-²⁵ секунд. Это время настолько мало, что оно даже предшествует процессу адронизации, делая его недоступным для любой формы удержания. Такая краткость долгое время вызывала вопросы о возможности сосуществования шести ароматов кварков в первобытном супе. Однако эксперименты показывают, что КГП сохраняется в течение примерно 10-23 секунд, что в десять раз превышает время жизни топ-кварка.
Этот временной лаг позволяет предположить, что топ-кварки можно использовать в качестве маркеров плазменного времени. Другими словами, их образование и распад на разных этапах жизни КГП позволяют проследить его эволюцию. Именно этого и добились исследователи из коллаборации ATLAS, впервые обнаружив производство пары топ-кварков по следам, оставленным их распадом в столкновении свинец-свинец на БАК.
В БАК частицы, образующиеся в результате столкновений, идентифицируются по следам их продуктов распада. Верхний кварк распадается на нижний кварк и W-бозон, а последний превращается в нейтрино, сопровождаемое электроном или мюоном. В данном исследовании команда провела столкновения между ядрами свинца. Пара топ-кварков была обнаружена через дилептонный канал со статистической значимостью 5,03 сигма, что превышает порог в 5 сигма, необходимый для подтверждения экспериментального наблюдения.
«Наблюдение этого процесса закрепляет доказательство присутствия всех ароматов кварков в предравновесной стадии кварк-глюонной плазмы, аналогичной условиям ранней Вселенной», — объясняют исследователи в своем исследовании, предварительно опубликованном на платформе arXiv, — «Этот результат открывает путь для новых исследований кварк-глюонной плазмы и физики ранней Вселенной с использованием топ-кварков», — добавляют они.
Помимо понимания первых мгновений существования Вселенной, эти кварки могут дать новые подсказки для расшифровки распределения сил внутри движущихся протонов и нейтронов, а также для изучения ряда фундаментальных аспектов физики частиц.