Исследователи, участвующие в эксперименте ATLAS в ЦЕРН, вероятно, выявили одно из наиболее редких явлений, которое было спрогнозировано Стандартной моделью физики элементарных частиц.
На протяжении нескольких десятилетий физики исследуют свойства наименьших масштабов, используя столкновения частиц при максимальных энергиях. Несмотря на то, что Стандартная модель физики элементарных частиц объясняет многие экспериментальные результаты, ряд явлений остается невыясненным. Это указывает на вероятность существования новых частиц, сил или более фундаментальных принципов, которые могут быть обнаружены при работе с еще более высокими энергиями.
«Изучение производства четырех истинных кварков представляет собой перспективное направление исследований. Этот процесс, не поддающийся прямому объяснению в рамках Стандартной модели, до сих пор не был зафиксирован экспериментальным путем. В данном случае одновременно генерируются две пары истинных кварков – самых тяжелых известных элементарных частиц – что позволяет сконцентрировать значительный объем энергии в одной точке пространства. Этот процесс настолько редок, что в наборе данных, содержащем 30 миллионов пар истинных кварков и проанализированном в эксперименте ATLAS в ЦЕРН, лишь около 350 столкновений потенциально могли привести к образованию четырех истинных кварков.
Коллаборация ATLAS опубликовала последние результаты о получении четырех истинных кварков в протон-протонных столкновениях в базе препринтов arXiv.org. Ученые изучили данные, полученные на Большом адронном коллайдере (БАК) в 2015-2016 годах. При распаде истинный кварк воспроизводит «конечные состояния» тремя (более легкими) кварками или одним кварком, нейтрино и заряженным лептоном. Таким образом, события, в которых одновременно производится несколько истинных кварков, могут иметь очень разные топологии конечных состояний в зависимости от комбинации распадов. Физики ATLAS проанализировали каждую из этих топологии, прежде чем объединить их для финальных результатов.
Высокая концентрация высокоэнергетических частиц является отличительной чертой всех конечных состояний. И хотя это упрощается выделение сигнальных сигнатур четырех истинных кварков из фоновых процессов, это также усложняет предсказание того, сколько фоновых событий могут быть ошибочно интерпретированы как события производства четырех истинных кварков.
Для изучения этой проблемы ученые из коллаборации ATLAS использовали продвинутый метод анализа, позволяющий оценить уровень фонового шума в таких насыщенных средах. Благодаря высококачественной работе датчиков им удалось получить результат, превосходящий по чувствительности все предыдущие, и выявить сигнал, который в 2,1 раза сильнее, чем ожидалось согласно Стандартной модели.
Анализ данных показал незначительный сигнал производства четырех истинных кварков. Чтобы узнать, была ли это статистическая флуктуация или действительно удалось зарегистрировать производство двух пар истинных кварков, нужно дождаться обновления результатов после анализа более широкого набора данных в ходе новых экспериментов.