Первое такое наблюдение. Четыре кварка были захвачены одновременно

Во время экспериментов, проведенных на Большом адронном коллайдере, физики впервые в истории увидели четыре верхних кварка одновременно. Сам процесс их формирования очень редок, но понимание его может быть необходимо для восполнения существующих пробелов в стандартной модели.

Стандартная модель — одна из самых фундаментальных теорий физики элементарных частиц, которые являются основными «кирпичиками» материи. Не без пробелов, но достаточно математически объясняющий, чтобы физики считали его наиболее точным описанием окружающей нас реальности, имеющимся в нашем распоряжении.

В Большом адронном коллайдере (БАК) — крупнейшем в мире ускорителе частиц, расположенном на границе Франции и Швейцарии — протоны сталкиваются на глубине от 50 до 175 м под землей в 27-километровом туннеле. Результаты регистрируют два больших детектора: ATLAS и CMS, и несколько более мелких (включая ALICE, LHCb, TOTEM).

Иногда во время столкновений удается запечатлеть «нечто» необычное. Так было, например, в 2012 году с обнаружением , т.е. божественная частица, придающая массу другим частицам, с которыми она взаимодействует. Теперь детекторы ATLAS и CMS зафиксировали впервые . Это очень редкое и трудно обнаруживаемое явление. бозон Хиггса, процесс одновременного образования четырех ап-кварков

Что такое кварки и почему они так важны?

Не вдаваясь в тонкости физики элементарных частиц, приведу лишь абсолютные основы. Согласно стандартной модели элементарные частицы делятся на кварки и лептоны (вместе образующие так называемые фермионы), калибровочные бозоны (переносящие взаимодействия) и бозон Хиггса, придающий частицам массу. Кварки — это частицы, которые не встречаются свободно — их нельзя разделить и изолировать, они встречаются в сложных системах, называемых адронами. Мы знаем шесть фундаментальных кварков: верхний, нижний, странный, обаятельный, низкий (называемый красивым) и высокий (называемый истинным). У них есть так называемая окрашенный заряд, т.е. подверженный сильному взаимодействию. Согласно современному состоянию знаний, кварки неделимы.

Топ-кварк — самая тяжелая частица в стандартной модели, что означает, что он сильнее всего связан с бозоном Хиггса. Существуют различные способы создания ап-кварка — чаще всего он наблюдается в паре с антикварком (каждая частица имеет своего аналога из антиматерии — античастицу), хотя и не всегда. Согласно современным теориям, четыре ап-кварка (две пары кварк-антикварк) могут рождаться одновременно, но это явление чрезвычайно трудно обнаружить. Эксперты CERN оценивают скорость образования четырех ап-кварков в 70 000. раз меньше пары кварк-антикварк. Это явление реально, что подтверждается детектором ATLAS в 2020 и 2021 годах и CMS в 2022 году. Однако пока этот процесс не наблюдается.

Во второй серии экспериментов на LHC (Run 2) было обнаружено медленное рождение четырех ап-кварков. Результаты прошли необходимую проверку на статистическую значимость и официально получили статус «наблюдения».

Рождение четырех ап-кварков чрезвычайно трудно обнаружить. Почему? Здесь мы наблюдаем настоящий каскад реакций. Каждый верхний кварк распадается на W-бозон и нижний кварк. Бозон W, в свою очередь, распадается на заряженный лептон и нейтрино или пару кварк-антикварк. Это означает, что события с четырьмя кварками не имеют характерной сигнатуры, своего рода сигнатуры, обнаружение которой ясно говорит физикам, что они имеют дело с этим явлением.

Благодаря современным методам машинного обучения данные с детекторов ATLAS и CMS можно пропустить через «решето». Все сигналы, потенциально исходящие от четырех верхних кварков, легко улавливаются. Это первое, но, конечно, не последнее прямое наблюдение рождения четырех ап-кварков. Эксперименты на БАК продолжаются и, вероятно, принесут не одну Нобелевскую премию по физике.