Новое независимое измерение, выполненное экспериментом CMS на Большом адронном коллайдере (БАК), подтверждает существование самой массивной составной частицы из когда-либо наблюдавшихся — мимолетного соединения истинного кварка и его антикварка.
Истинный кварк, самая тяжелая и самая недолговечная элементарная частица из известных, долгое время считался частицей, распадающейся слишком быстро для того, чтобы образовывать связанные состояния. Однако новый результат коллаборации CMS, представленный на конференции Rencontres de Moriond на этой неделе, укрепляет прошлогоднее наблюдение, согласно которому истинные кварки, по-видимому, могут на мгновение соединяться в пары со своими антиматериальными двойниками. Это мимолетное связанное состояние, известное как истинный кварконий (топоний), станет самой массивной составной частицей из когда-либо наблюдавшихся, завершая семейство кварк-антикварковых состояний, связанных сильным ядерным взаимодействием.
Большая часть материи вокруг нас состоит из атомов, в которых электроны удерживаются возле протонов благодаря электромагнитной силе. Но сами протоны не являются элементарными. Они принадлежат к обширному семейству составных частиц, называемых адронами, в которых кварки удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием. Среди них простейшими являются пары кварка и соответствующего антикварка, которые служат уникальным инструментом для изучения механизмов действия сильной силы. На протяжении десятилетий такие состояния были известны для всех типов кварков, кроме самого неуловимого — истинного.
Впервые обнаруженный более 30 лет назад на ускорителе Tevatron близ Чикаго, истинный кварк с тех пор интенсивно изучается, а эксперименты на БАК дошли до измерения квантовой запутанности между истинными кварками и антикварками. Даже будучи рожденным в паре со своим антикварком, истинный кварк обычно распадается до того, как успеет сформироваться какое-либо связанное состояние. Тем не менее, сотни миллионов пар истинного кварка и антикварка, произведенных на БАК, фактически превращающие его в фабрику истинных кварков, предоставляют настолько огромный массив данных, что редчайшие явления могут оставить обнаружимый след.
Первые намеки на существование истинного кваркония появились в ходе поисков тяжелых частиц, подобных бозону Хиггса, которые могли бы распадаться на пару истинного кварка и антикварка. Было обнаружено неожиданное превышение числа событий столкновений при массе, близкой к удвоенной массе истинного кварка, что более характерно для связанного состояния, нежели для новой фундаментальной частицы. Детальные исследования коллабораций CMS и ATLAS подтвердили это превышение, используя события, в которых оба истинных кварка распадаются на лептоны (электроны или мюоны).
Новое исследование CMS подходит к проблеме с другой стороны, изучая события, в которых один истинный кварк распадается на нижний кварк, заряженный лептон и нейтрино, в то время как другой распадается на кварки, образующие струи, или «джеты», частиц. «Выделить сигнал в этом канале распада было сложной задачей», — говорит Отто Хиндрихс, исследователь из Рочестерского университета, который разработал новый метод с использованием искусственного интеллекта для реконструкции этих событий столкновения.
«Вместо того чтобы напрямую реконструировать массу пары истинного кварка и антикварка, мы сосредоточились на относительной скорости истинного кварка и антикварка, — объясняет Ю-Хэн Ю, аспирант, участвовавший в анализе. — Если они образуют связанное состояние, их относительная скорость должна быть намного меньше, чем когда они рождаются независимо».
Эти новые методы оказались высокоэффективными. Они привели к наблюдению превышения со статистической значимостью более пяти стандартных отклонений — золотого стандарта для открытия в физике высоких энергий. Этот результат представляет собой новое, статистически независимое подтверждение рождения истинного кваркония.
«Истинный кварконий тяжелее самого тяжелого из известных атомных ядер, оганесона, что делает его самым массивным связанным состоянием из когда-либо наблюдавшихся, — говорит Регина Демина, руководитель группы CMS в Рочестерском университете. — Его открытие углубляет наше понимание сильного ядерного взаимодействия и его способности связывать фундаментальные составляющие материи».