На Большом адронном коллайдере увидели следы топ-кварка в столкновениях ядер

Эксперимент CMS увидел следы рождения топ-кварков в столкновениях ультрарелятивистских ядер свинца на Большом адронном коллайдере со статистической точностью в 4 σ. Ранее рождение этой самой тяжелой элементарной частицы наблюдали только в протон-протонных и протон-ядерных столкновениях. Ожидается, что рождающиеся в столкновениях ядро-ядро топ-кварки помогут физикам пронаблюдать эволюцию кварк-глюонной плазмы с течением времени и лучше изучить ее свойства. О полученных результатах сообщается в препринте статьи, а недавно она была принята к публикации в журнале Physical Review Letters.

Топ-кварк — кварк третьего поколения, самый тяжелый из шести кварков, а также в принципе самая тяжелая из известных элементарных частиц. Впервые он был обнаружен 25 лет назад на Тэватроне в Фермилабе в столкновениях пар протон-антипротон, где в дальнейшем и были изучены ее основные свойства. Согласно предсказаниям Стандартной модели время жизни топ-кварка составляет всего 5 × 10^-25 секунды, что на порядок меньше характерного времени сильного взаимодействия. Благодаря этой особенности он не адронизируется (в отличие от всех остальных кварков), что делает его идеальной частицей для изучения материи, в которой он образуется.

На Большом адронном коллайдере топ-кварк уже видели в столкновениях протон-протон и протон-ядро, однако эта частица представляет особый интерес для физиков в столкновениях ядро-ядро. Именно в них изучают кварк-глюонную плазму — состояние сильновзаимодействующей материи, в котором кварки и глюоны ведут себя как свободные от конфайнмента квазичастицы, подобно электронам и ионам в обычной плазме. Предполагается, что вселенная полностью состояла из кварк-глюонной плазмы на временных масштабах вплоть до микросекунд после Большого взрыва, из-за чего физикам особенно важно понять, как это состояние материи эволюционирует со временем.

Уже существует ряд методов изучения кварк-глюонной плазмы, мельчайшие «капли» которой рождаются в столкновениях ультрарелятивистских ядер на коллайдерах. К примеру, за ней наблюдают по уменьшению энергии проходящих сквозь нее джетов — струй частиц, рождающихся в ходе адронизации кварков и глюонов. Также за кварк-глюонной плазмой можно наблюдать по подавлению рождения кваркониев, но оба этих метода дают лишь ее усредненные по большому промежутку времени характеристики, ведь время происходящих в них процессов сопоставимо со временем жизни кварк-глюонной плазмы. А время жизни топ-кварка крайне мало, поэтому по взаимодействию продуктов его распада с кварк-глюонной плазмой в различные моменты ее существования можно составить более полную картину ее эволюции с течением времени. О возможностях такого метода ранее сообщалось в теоретическом исследовании одного из ученых в ЦЕРН.

Именно это делает особенно важным результат эксперимента CMS, в рамках которого в столкновениях ультрарелятивистских ядер свинца при энергии 5,02 тераэлектронвольт на нуклон-нуклонную пару физики увидели следы рождения топ-кварков. Сечение рождения считали двумя методами: в первом ученые наблюдали только за парами лептонов противоположного заряда (электронами и мюонами) в конечном состоянии, а во втором также учитывали присутствие в распаде джетов от адронизации прелестного кварка. В первом случае полученное сечение составило 2,5 ± 0,8 микробарн, во втором — 2,0 ± 0,7 микробарн, что сопоставимо с предсказаниями квантовой хромодинамики и результатами экспериментов с протон-протонными столкновениями.

Важно отметить, что накопленные данные еще не достигли требуемой для подтверждения наблюдения топ-кварка в столкновениях ядро-ядро статистической точности в 5 σ: пока что ученым удалось набрать статистику на 4 σ. Тем не менее вероятность, что полученный результат — лишь статистическая флуктуация, не превышает 0,003 процента, а CMS расценивает этот результат как убедительную демонстрацию возможностей детектора по регистрации топ-кварка. Физики уверенны и в том, что данные о рождении этой частицы в ядро-ядерных столкновениях будут использованы для изучения с ее помощью кварк-глюонной плазмы.

Хоть обычно для получения кварк-глюонной плазмы используют тяжелые ядра, она также может рождаться и в протон-протонных столкновениях: на это указал избыток частиц со странным кварком в эксперименте ALICE. О других последних результатах работы Большого адронного коллайдера мы сообщаем в теме «Второй сезон Коллайдера».