В ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) ученые получили неожиданные результаты. Эти данные потенциально указывают на существование связанного состояния, включающего топ-кварк и антикварк.
В процессе столкновения протонов на высоких скоростях в Большом адронном коллайдере (БАК) возникают пары частиц, состоящие из «топ-кварка» и анти-«топ-кварка ( tt̄)». Эти частицы, известные как топонии, предсказаны теоретически, однако их обнаружение пока не произошло. Определение вероятности их образования позволяет не только проверить Стандартную модель физики частиц, но и служит методом поиска новых, еще не открытых частиц.
Физики, работающие с детектором CMS (Compact Muon Solenoid, компактный мюонный соленоид), провели анализ обширного массива данных, касающегося образования tt̄-пар. Данные были получены в ходе экспериментов, проводившихся в 2016-2018 годах в рамках поиска новых видов бозонов Хиггса.
Эти гипотетические бозоны, предсказанные физиками в рамках теоретических расширений Стандартной модели, должны проявлять особенно выраженные свойства взаимодействовать с тяжелым топ-кварком, масса которого в 184 раза больше массы протона. Если такие частицы действительно существуют, они должны в большинстве случаев распадаться на пару топ-кварков, производя характерные «струи» частиц в детекторах.
Увеличение количества пар «топ-кварк — анти-топ-кварк» обычно интерпретируется учеными как свидетельство существования дополнительных хиггсовских бозонов. Однако, анализ новых данных выявил значительное количество таких пар, образовавшихся при минимально возможной энергии. Это побудило исследователей к рассмотрению альтернативной гипотезы, связанной с топонием.
Хотя пары tt̄ не образуют устойчивых связанных состояний, расчеты в рамках квантовой хромодинамики предсказывают усиление образования кратковременных состояний на энергетическом пороге для пар «кварк — антикварк». По упрощенной модели, сечение образования топония составило 8,8 пикобарна с погрешностью примерно 15 процентов. Это превышает необходимый для заявлений об открытии уровень статистической достоверности в пять сигма — вероятность, что результат оказался случайным, крайне мала. Научная работа опубликована на сервере препринтов arXiv.org.
Даже при такой уверенности ученые попробуют перепроверить данные и найти топоний в других экспериментах — теперь им известно, куда смотреть и что искать. Топоний станет последним звеном в ряду кваркониев — нестабильных состояний «кварк — антикварк», образованных тяжелыми кварками. Очарованный кварк образует со своей частицей чармоний, а прелестный — боттомоний.
Чармоний и боттомоний обладают размерами около 0,6 и 0,4 фемтометра соответственно. Ранее боттомоний определялся как адронная частица с наименьшим известным размером. По мнению исследователей, благодаря еще большей предсказанной массе, топоний должен быть значительно меньше, что может сделать его самой плотной известной частицей этого типа.
Ранее предполагалось, что топонимика не может быть выявлена в процессе столкновений протонов, так как топ-кварк распадается на очарованный кварк и W-бозон за время, равное времени, необходимому свету для преодоления расстояния в 0,1 фемтометра, что меньше предполагаемого размера самой частицы. Таким образом, топоний оказался бы уникальным для кваркониев: он распадается не в результате аннигиляции материи и антиматерии, а из-за спонтанного распада одного из его составляющих кварков.
Ученые коллабораций CMS и ATLAS теперь совместно продолжают исследование этой аномалии. Хотя альтернативные объяснения пока нельзя исключить, результаты требуют дальнейшей проверки с помощью эксперимента ATLAS — «сестринского» проекта CMS.