Впервые обнаружены экзотические частицы, которых было много в ранней Вселенной

Ученые нашли доказательства наличия загадочных X-частиц в кварк-глюонной плазме, производимой на Большом адронном коллайдере.

Об этом рассказывают в Массачусетском технологическом институте (MIT), передают OstanniPodii.com.

В первые миллионные доли секунды после Большого взрыва Вселенная представляла собой взболтанную триллионно градусную плазму из кварков и глюонов — элементарных частиц, которые ненадолго сливались в бесчисленных комбинациях, прежде чем охладиться и перейти в более стабильные конфигурации, чтобы создать нейтроны.

В хаосе, предшествовавшем охлаждению, часть этих кварков и глюонов беспорядочно сталкивалась, образуя недолговечные частицы "X", названные так из-за их загадочных, неизвестных структур. Сегодня частицы X редки, хотя физики предполагают, что они могут возникать в ускорителях частиц путем коалесценции кварков, где высокоэнергетические столкновения могут генерировать подобные вспышки кварк-глюонной плазмы.

Теперь физики из Лаборатории ядерных наук MIT и других институтов нашли доказательства наличия X-частиц в кварк-глюонной плазме, производимой на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований, расположенной вблизи Женевы в Швейцарии.

Команда использовала методы машинного обучения для того, чтобы просеять более 13 миллиардов столкновений тяжелых ионов, каждое из которых привело к образованию десятков тысяч заряженных частиц. Среди этого сверхплотного, высокоэнергетического супа из частиц исследователи смогли выделить около 100 X-частиц типа X (3872), названных так в честь предполагаемой массы частицы.

Результаты, опубликованные на этой неделе в журнале Physical Review Letters, знаменуют собой первый раз, когда исследователи обнаружили X-частицы в кварк-глюонной плазме — среде, которая, как они надеются, прольет свет на еще неизвестную структуру частиц.

«Это только начало истории», - говорит ведущий автор работы Йен-Джи Ли, доцент кафедры физики MIT. «Мы показали, что можем найти сигнал. В последующие несколько лет мы хотим использовать кварк-глюонную плазму для исследования внутренней структуры X-частицы, что может изменить наше представление о том, какой материал должна производить Вселенная».

Соавторы исследования являются членами Коллаборации CMS, международной группы ученых, которая управляет и собирает данные из Компактного мюонного соленоида, одного из детекторов частиц БАК.

Частицы в плазме

Основными строительными блоками материи являются нейтрон и протон, каждый из которых состоит из трех крепко связанных кварков.

«Многие годы мы думали, что по какой-то причине природа решила производить частицы только из двух или трех кварков», — говорит Ли.

Лишь недавно физики начали замечать признаки экзотических "тетракварков" - частиц, созданных из редкой комбинации четырех кварков. Ученые подозревают, что X (3872) является либо компактным тетракварком, либо совершенно новым типом молекулы, состоящей не из атомов, а из двух слабосвязанных мезонов – субатомных частиц, которые сами состоят из двух кварков.

X (3872) впервые была открыта в 2003 году в результате эксперимента на Belle, коллайдере частиц в Японии, который сталкивает вместе высокоэнергичные электроны и позитроны. Однако в этой среде редкие частицы разлагались слишком быстро, чтобы ученые могли подробно изучить их структуру. Была выдвинута гипотеза, что X (3872) и другие экзотические частицы могут быть лучше освещены в кварк-глюонной плазме.

«Теоретически говоря, в плазме так много кварков и глюонов, что производство X-частиц должно быть усилено», - говорит Ли. «Но люди считали, что искать их будет слишком тяжело, потому что в этом кварковом супе появляется так много других частиц».

"Действительно сигнал"

В своем новом исследовании Ли и его коллеги искали признаки X-частиц в кварк-глюонной плазме, образованной столкновениями тяжелых ионов в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Свой анализ они основывали на наборе данных БАК за 2018 год, включавший более 13 миллиардов столкновений ионов свинца, каждое из которых высвобождало кварки и глюоны, которые рассеивались и сливались, образуя более квадриллиона недолговечных частиц перед охлаждением и распадом.

«После образования и охлаждения кварк-глюонной плазмы производится так много частиц, что фон становится предпочтительным», — говорит Ли. «Поэтому нам пришлось подавить этот фон, чтобы наконец мы смогли увидеть X-частицы в наших данных».

Для этого команда использовала алгоритм машинного обучения, который они научили выбирать модели распада, характерные для X-частиц. Сразу после того, как частицы образуются в кварк-глюонной плазме, они быстро распадаются на рассеивающиеся дочерние частицы. Для частиц X эта модель распада или угловое распределение отличается от всех остальных частиц.

Исследователи во главе с постдоком MIT Цзин Ваном определили ключевые переменные, описывающие форму распада X-частиц. Они научили алгоритм машинного обучения распознавать эти переменные, а затем передали алгоритму фактические данные по экспериментам столкновения на БАК. Алгоритм смог просеять чрезвычайно плотный и шумный набор данных для выбора ключевых переменных, которые, вероятно, были результатом распада X-частиц.

«Нам удалось уменьшить фон на порядки, чтобы увидеть сигнал», - говорит Ван.

Исследователи увеличили масштаб сигналов и заметили пик при определенной массе, указывающей на присутствие частиц X(3872), всего около 100.

«Почти невозможно представить, что мы можем выделить эти 100 частиц из этого огромного набора данных», - говорит Ли, который вместе с Ваном провел много проверок для подтверждения своего наблюдения.

«Каждый вечер я спрашивал себя, это действительно сигнал или нет?» – вспоминает Ван. «И в конце концов данные сказали да!»

В последующие год-два исследователи планируют собрать гораздо больше данных, которые должны помочь выяснить структуру частицы X. Если частица представляет собой тетракварк, она должна распадаться медленнее, чем если бы это была слабо связанная молекула. Теперь, когда команда продемонстрировала, что X-частицы можно обнаружить в кварк-глюонной плазме, они планируют более подробно исследовать эту частицу с помощью кварк-глюонной плазмы, чтобы определить структуру X-частицы.

«На данный момент наши данные согласуются с обоими вариантами, потому что у нас еще недостаточно статистических данных. В следующие несколько лет мы получим гораздо больше данных, чтобы мы могли разделить эти два сценария», – говорит Ли. «Это расширит наше представление о типах частиц, которые в большом количестве производились в ранней Вселенной».