БАК поймал нечто странное: Избыток топ-кварков — сигнал о рождении самой маленькой частицы?
Представьте себе Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе. Огромное кольцо под землей, где крошечные частицы, протоны, разгоняются до невероятных скоростей и сталкиваются друг с другом. Зачем? Чтобы заглянуть в самые основы мироздания, понять, из чего всё состоит и как взаимодействует. И вот, в потоке данных от одного из гигантских детекторов БАК, называемого CMS, физики заметили нечто… необычное. Неожиданный избыток определенных событий, который может намекать на нечто совершенно новое.
Тяжеловес среди частиц и его антипод
Речь идет о топ-кварке. Это самый массивный из всех известных элементарных «кирпичиков» материи — он тяжелее целого атома золота, но при этом невероятно мал. Как и у большинства частиц, у топ-кварка есть античастица — анти-топ-кварк, с такой же массой, но противоположным зарядом. В столкновениях на БАК такие пары — топ-кварк и анти-топ-кварк (физики обозначают их tt̄, «тэ-тэ с чертой») — рождаются довольно часто.
Изучение рождения этих пар — это и проверка на прочность существующей теории, Стандартной модели, и способ поиска чего-то за её пределами. Стандартная модель прекрасно описывает многое, но, честно говоря, оставляет кучу вопросов. Например, что такое тёмная материя? Почему Вселенная состоит из материи, а не антиматерии? Возможно, ответы кроются в существовании новых, еще не открытых частиц.
Странный шум на краю диапазона
Команда CMS анализировала данные, собранные с 2016 по 2018 год. Изначально они искали новые разновидности бозона Хиггса — частицы, которая отвечает за массу других частиц. Многие теории предполагают, что бозон Хиггса не один, а у него есть «родственники». Если такие частицы существуют и достаточно массивны, они должны охотно взаимодействовать именно с тяжелым топ-кварком и распадаться на ту самую пару tt̄. Увидеть больше таких пар, чем предсказывает теория, — это как раз один из признаков появления «нового Хиггса».
И CMS действительно увидели избыток tt̄-пар! Но вот что странно: этот избыток концентрировался при самой минимальной энергии, необходимой для рождения пары топ-кварка и антикварка. Это называется «порогом рождения». Знаете, как будто вы включаете кран ровно настолько, чтобы вода начала капать, и вдруг вместо капель получаете сильный всплеск именно в этот момент. Это наблюдение заставило физиков задуматься об альтернативе.
Призрак топония?
А что, если топ-кварк и анти-топ-кварк перед тем, как разлететься, успевают на кратчайший миг «сцепиться» друг с другом, образовав связанное состояние? По аналогии с другими подобными парами (о них чуть позже), такое состояние назвали бы топонием.
Идея не нова. Теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика), описывающая, как кварки держатся вместе, предсказывает, что вероятность такого «слипания» как раз должна быть выше у самого порога рождения пары. Но была одна большая загвоздка…
Маленький, да удаленький? Или слишком быстрый?
Топ-кварк — не только самый тяжелый, но и самый короткоживущий. Он распадается невообразимо быстро, примерно за 10⁻²⁵ секунды. За это время свет успевает пролететь расстояние меньше, чем размер протона! Считалось, что топ-кварк просто не успеет «договориться» со своим антиподом и образовать связанное состояние — он распадется раньше.
Если бы топоний все же существовал, он был бы уникален. Другие подобные связанные состояния кварка и антикварка из тяжелых «собратьев» — шармоний (очарованный кварк + антикварк, открыт в 1974 году) и боттомоний (прелестный кварк + антикварк, открыт в 1977) — живут достаточно долго, чтобы распасться из-за взаимной аннигиляции кварка и антикварка. А топоний, скорее всего, распадался бы просто потому, что один из его «жильцов» (топ-кварк или анти-топ-кварк) спонтанно разваливался бы на другие частицы.
И еще одна деталь: топоний был бы самой маленькой из подобных частиц (адронов). Шармоний и боттомоний имеют размеры порядка 0.6 и 0.4 фемтометра (фемтометр — это миллионная доля миллиардной доли метра!). Топоний, из-за гигантской массы его составляющих, был бы еще меньше. Подумать только, самая маленькая составная частица!
Пять сигма — это серьезно, но…
Вернемся к данным CMS. Наблюдаемый избыток tt̄-пар на пороге рождения оказался статистически значимым. Физики используют шкалу «сигма» для оценки достоверности. Результат в 5 сигма означает, что вероятность того, что это случайная флуктуация, крайне мала (примерно 1 к 3.5 миллионам). Формально, это считается уровнем «наблюдения».
Команда CMS посчитала, что если предположить существование топония, то наблюдаемое сечение (мера вероятности) его рождения составляет около 8.8 пикобарн с погрешностью 15%. Цифры для неспециалиста мало что говорят, но важно, что они укладываются в картину и соответствуют 5 сигма.
Но физики — народ дотошный. Нельзя исключать и другие объяснения, например, какой-то неизвестный ранее элементарный бозон (не связанное состояние, а именно фундаментальная частица), который тоже мог бы дать похожий эффект.
Что дальше? Ждем вердикта ATLAS
Самое главное сейчас — подтверждение результата другим экспериментом. У CMS на БАК есть «коллега» — детектор ATLAS. Он работает независимо, использует немного другие технологии и методики анализа. Если ATLAS увидит в своих данных похожий избыток tt̄-пар на пороге рождения, тогда уверенность в открытии (будь то топоний или что-то иное) резко возрастет.
Сейчас обе команды, CMS и ATLAS, пристально изучают этот интригующий эффект. Это открытый научный вопрос, и ответ на него может изменить наше понимание фундаментальных частиц и сил.
Так что же это — мимолетный призрак неуловимого топония, самая маленькая составная частица во Вселенной? Или предвестник какой-то совершенно новой физики? Покажет только время и дальнейшие исследования. А мы будем следить за новостями с переднего края науки! Согласитесь, захватывающе?
