Сталкивая частицы в Большом адронном коллайдере, ученые обнаружили свидетельства существования экзотического мезона X(3872), который не вписывается в существующую кварковую модель. Его изучение поможет лучше понять процессы, происходившие в первые мгновения существования Вселенной.
Прежде чем сформировать стабильные частицы — привычные нам протоны и нейтроны, — миллионные доли секунды после Большого взрыва материя нашей Вселенной представляла собой очень горячую кварк-глюонную плазму. В ней элементарные частицы сталкивались, создавая короткоживущие комбинации. Одна из них — так называемая частица X, которая не вписывается в кварковую модель из-за необычных квантовых чисел. В новом исследовании ученые впервые показали, что «частицы X» могут образовываться при столкновениях релятивистских тяжелых ионов, а именно — ионов свинца.
Впервые физики наблюдали «частицу X» в 2003 году в рамках эксперимента по столкновению высокоэнергетических электронов и позитронов. Но тогда времени существования частиц не хватило, чтобы детально изучить их структуру. Так что ученые предположили, что «частицу X» можно воссоздать и более тщательно изучить в кварк-глюонной плазме.
В новом исследовании измерения проводили на одном из двух детекторов элементарных частиц Большого адронного коллайдера — компактном мюонном соленоиде (англ. Compact Muon Solenoid — CMS). В коллаборацию CMS входят физики из десятков стран, включая специалистов из России.
Для обработки данных более чем о 13 миллиардах столкновениях ионов свинца, каждое из которых произвело десятки тысяч частиц, использовали методы машинного обучения. Алгоритм научили выделять характерные для «частиц X» закономерности распада: дело в том, что через короткое время после образования частицы разлетаются на составляющие их части, и картина этого распада уникальна для «частиц X».
Благодаря такому подходу удалось выделить около 100 «частиц X» — или экзотических мезонов X(3872), названных так из-за своей расчетной массы. Пока ученые точно не знают, из чего состоит X(3872): это либо компактный тетракварк, либо совершенно новый тип частиц, состоящей из двух слабосвязанных мезонов, которые сами состоят из двух кварков.
Теперь, когда ученые обнаружили способ получать достаточное количество этих экзотических мезонов, они планируют изучить внутреннюю структуру «частицы X». Это может изменить существующее представление об устройстве материи во Вселенной.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physical Review Letters.