За Большим взрывом, который, согласно наиболее признанной сегодня космологической теории, положил начало Вселенной, в которой мы живем, последовал хаотичный и бурный период. Новорожденный космос представлял собой очень горячую плазму кварков и глюонов, элементарных частиц, которые соединялись в бесчисленных комбинациях, прежде чем остыть и структурироваться в более стабильные конфигурации. Только после охлаждения образовалась обычная материя нейтронов и протонов, какой мы ее знаем сегодня.
Одна из гипотез, выдвинутых в прошлом физиками элементарных частиц, состоит в том, что часть этих кварков и глюонов взаимодействует, образуя короткоживущие частицы «X». Название связано с тем, что их структура и свойства долгие годы оставались загадкой. По крайней мере, до сих пор. Теперь физики из Лаборатории ядерных наук Массачусетского технологического института обнаружили следы Х-частиц в плазме кварков и глюонов, образующихся в ускорителе Большого адронного коллайдера (БАК) ЦЕРНа. Исследователям удалось извлечь 100 частиц Х (3872), названных по предполагаемой массе частицы.
Соавторы последующего исследования являются членами коллаборации CMS, международной группы ученых, которые работают и собирают данные с одного из детекторов частиц БАК, Компактного мюонного соленоида. «Это только начало истории«, — говорит ведущий автор Ен-Жи Ли, доцент физики Массачусетского технологического института. «Тем временем мы показали, что можем отслеживать сигнал. В ближайшие несколько лет мы хотим использовать кварковую и глюонную плазму для исследования внутренней структуры частицы X. Это может изменить наше представление о том, какой материал должна производить Вселенная«.
Комбинации четырех кварков и экзотической частицы X
Обычная материя состоит из атомов с ядрами, образованными нейтронами и протонами. Обе эти частицы состоят из трех других составных элементов, называемых кварками, которые тесно связаны между собой. На протяжении многих лет ученые считали, что существуют только частицы, состоящие из двух или трех кварков. Только недавно они подтвердили существование экзотических тетракварков — частиц, состоящих из редкой комбинации четырех кварков.
Предполагается, что X (3872) также является тетракварком. Впервые она была обнаружена в 2003 году в Японии в ходе эксперимента Belle — коллайдера частиц, который разбивает высокоэнергетические электроны и позитроны. Однако очень быстрое разрушение не позволило детально изучить ее структуру. В то время было высказано предположение, что экзотические частицы, такие как X-частицы, могут быть лучше освещены в плазме кварков и глюонов. «Теоретически в плазме так много кварков и глюонов, что производство Х-частиц должно быть выше«, — говорит Ли.
След Х-частицы найден с помощью машинного обучения
Затем Ли и его коллеги искали следы Х-частиц в кварковой и глюонной плазме, образующейся после столкновений тяжелых ионов на БАК. Анализ проводился на базе данных 2018 года, включающей 13 миллиардов столкновений ионов свинца. При каждом столкновении высвобождались кварки и глюоны, которые затем сливались, образуя более квадриллиона короткоживущих частиц, после чего остывали и распадались. Их было так много, что исследователям было трудно идентифицировать Х-частицы в этих данных.
Для этого команда использовала специально разработанный алгоритм машинного обучения для определения характерных распадов Х-частиц, которые выделяются на фоне других экзотических частиц. Алгоритм смог просеять большой, зашумленный набор данных и определить переменные, которые, вероятно, являются результатом распада Х-частиц. Затем исследователи увеличили масштаб построенных сигналов и заметили пик в распределении масс, указывающий на присутствие Х-частиц (3872), всего около 100.
Прояснив структуру X, мы, возможно, сможем понять структуру ранней Вселенной
В течение следующих нескольких лет исследователи планируют собрать гораздо больше данных о кварковой и глюонной плазме, создаваемой БАК, специально для того, чтобы уточнить структуру экзотической частицы X. Прежде всего, чтобы понять, действительно ли это квартет тесно связанных кварков. «Это расширит наше представление о типах частиц, которые в изобилии производились в ранней Вселенной«, — говорит Ли.
Если мы сможем проникнуть в данные настолько, чтобы распознать детальные характеристики X, мы еще ближе подойдем к пониманию того, какую роль эти экзотические частицы сыграли после Большого взрыва в формировании обычной материи. Материя, которую мы хорошо знаем, потому что из нее состоим мы и все вокруг нас.
С полным текстом исследования, опубликованным в журнале Physical Review Letters, можно ознакомиться .