1 февраля 2022

Александр Фикс, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ: "Открытие X-частицы — это возможность посмотреть на Вселенную на самом раннем этапе"

Детектор CMS Большого адронного коллайдера

На днях ученые из Лаборатории ядерной физики Массачусетского технологического института сообщили о том, что в ходе эксперимента на Большом Адронном коллайдере им удалось зафиксировать неизвестную частицу-X. Почему это важно для фундаментальной науки, как «поймали» неизвестную частицу и на столько ли она неизвестная рассказал профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Александр Фикс.

«Многие исследования, которые проводятся на Большом Адронном коллайдере, направлены на то, чтобы понять, как была образована Вселенная. Сегодня в качестве основного сценария ее возникновения рассматривается так называемый сценарий Большого Взрыва. Считается, что он произошел около 14 миллиардов лет назад, в результате чего возникли пространство, время и сама материя», — говорит ученый.

В первые доли секунды после рождения все взаимодействия (электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное) были объединены в одно фундаментальное взаимодействие. Это был период квантового хаоса, когда Вселенная имела колоссальную плотность и температуру. В ней не было ни частиц, ни античастиц.

Постепенное охлаждение привело к появлению первых элементарных частиц — кварков и глюонов. На этом этапе Вселенная представляла собой жидкость из этих частиц, называемую кварк-глюонной плазмой. Дальнейшее уменьшение температуры привело к объединению кварков и глюонов в нуклоны, которые, в свою очередь, стали объединяться в ядра. Постепенно возникли частицы и взаимодействия, образующие наш Мир.

«Предполагается, что Х-частица, открытая недавно коллаборацией CMS на БАКе, могла образовываться в кварк-глюонной плазме в результате столкновения ее конституентов, то есть этих самых кварков и глюонов. Поэтому, обнаружение и исследование свойств этой частицы — это своего рода возможность посмотреть на нашу Вселенную на самом раннем этапе ее жизни. Можно сказать, что эксперимент CMS — это симуляция, позволяющая понять, какие процессы в принципе могли происходить в первые мгновения с начала Большого Взрыва», — добавляет Александр Фикс.

По словам ученого, это не первый эксперимент, в котором был зарегистрирован сигнал от образования X-частицы. Первыми следует считать результаты 2003 года, полученные коллаборацией Belle на коллайдере KEKB в Японии. Но именно в эксперименте CMS впервые удалось создать условия, когда эта Х-частица захватывается в кварк-глюонной плазме. Такой метод открывает широчайшие возможности для ее исследования с высокой точностью.

«Необходимо понимать, что эти Х-частицы имеют невообразимо малое время жизни, поэтому их невозможно «поймать». Единственный способ их «увидеть» — поймать продукты их распада. Для решения этой задачи в коллаборации CMS был разработан метод машинного обучения, позволивший компьютеру из бесчисленного множества данных выбрать именно те, которые относятся к распаду Х-частицы. Таким способом удалось идентифицировать 100 событий», — поясняет профессор.

Несмотря на открытие самой частицы, ее природа по-прежнему не разгадана. Некоторые теории говорят, что это двухмезонная молекула, согласно другим — это так называемый тетракварк (экзотический объект, состоящий из четырех кварков). Для того, чтобы это понять, потребуется гораздо больший объем данных.

С полным текстом исследования, опубликованным в журнале Physical Review Letters (Q1, IF: 14,105), можно ознакомиться по ссылке.

Ученые ТПУ участвуют в работе нескольких коллабораций и департаментов Европейской организации по ядерным исследованиям — ЦЕРН. Так, в коллаборации CMS ученые вуза ведут исследования в рамках проекта BRIL по измерению характеристик пучка частиц. В коллаборации LHCb они работают над модернизацией трекового детектора Sci-Fi, проводят анализ распадов прекрасных и очарованных мезонов, ведут поиск экзотических частиц. В рамках коллаборации NA64 ведутся исследования по поиску темной материи, в эксперименте COMPASS проводят исследования структуры адронов. Томские политехники также участвуют в создании новейших методов диагностики и управления пучком протонов коллайдера совместно с отделением по ускорительным технологиям.