Ученые увидели доказательства наличия высших кварков при столкновениях между тяжелыми ядрами

Результат недавних исследований коллоборации CMS открывает путь к новому и уникальному изучению экстремального состояния вещества, который, как полагают, существовал вскоре после Большого взрыва.

В ходе сотрудничества были обнаружены доказательства наличия высших кварков в столкновениях тяжелых ядер на Большом адронном коллайдере (БАК), рассказывают в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям).

Не первый раз, когда эта особая частица – самая тяжелая из известных элементарных – появляется на коллайдерах частиц. Впервые высший кварк наблюдался при столкновении протон-антипротон на Теватронном коллайдере 25 лет назад, и с тех пор был замечен и изучен при столкновениях протон-протон и протон-ядро на БАК. Но новое открытие, описанное в статье, уже принятой к публикации в журнале "Physical Review Letters", несомненно, возбудит как экспериментаторов, так и теоретиков, поскольку анализ высших кварков при столкновениях тяжелых ядер предлагает новый и уникальный способ исследования кварк-глюонной плазмы, которая образуется в этих столкновениях и считается, что существовала в первые моменты существования Вселенной. Кроме того, такой анализ может пролить новый свет на расположение кварков и глюонов внутри тяжелых ядер.

Не существует именно недостатка частиц или зондов, с помощью которых исследуется кварк-глюонная плазма. В экспериментах БАК уже давно используют несколько типов частиц для изучения свойств этого экстремального состояния вещества, при котором кварки и глюоны не ограничиваются композитными частицами, а взамен кочуют, как частицы в жидкости с небольшим сопротивлением трению. Но все существующие зонды предоставляют усредненную по времени информацию о плазме. В противоположность этому, высший кварк, благодаря особому способу, которым он превращается или распадается на другие частицы, может предоставлять мгновенные снимки плазмы в разные периоды ее жизни.

"Высшие кварки, движущиеся быстрее, предоставляют более поздние снимки. Путем составления снимков, сделанных высшими кварками с разной скоростью, мы надеемся, что в конце можно будет создать фильм об эволюции кварк-глюонной плазмы", - объясняет исследователь из ЦЕРН Гилерме Милхано, соавтор теоретического исследования зондирования кварк-глюонной плазмы с высшими кварками. "Новый результат CMS представляет собой самый первый шаг на этом пути".

Коллоборация CMS увидела доказательства наличия высоких кварков в большой выборке данных из столкновений свинец-свинец при энергии 5,02 ТэВ. Команда искала столкновения, в которых производились высший кварк и высший антикварк. Эти кварки очень быстро распадаются на W-бозон и низший кварк, который, в свою очередь, также очень быстро распадается на другие частицы. Физики CMS искали конкретный случай, когда конечными продуктами распада являются заряженные лептоны (электроны или их более тяжелые кузины, мюоны) и "струи" множественных частиц, происходящих из низших кварков.

После отделения и подсчета этих событий с "высшими-антивысшими" столкновениями, CMS оценили вероятность столкновений свинец-свинец с производством пар высший-антивысший через заряженные лептоны и низшие кварки. Результат имеет статистическую значимость около четырех стандартных отклонений, поэтому он еще не превышает порог пяти стандартных отклонений, необходимых, чтобы заявить о наблюдении за выработкой высших кварков. Но это является существенным доказательством процесса – существует лишь 0,003% вероятности того, что результат является статистическим случаем. Более того, результат согласуется с теоретическими предсказаниями, а также с экстраполяцией предыдущих измерений вероятности столкновений протонов с протонами при той же энергии столкновения.

"Наш результат демонстрирует способность эксперимента CMS проводить исследования с высшими кварками в сложной среде столкновений тяжелых ядер", - говорит физик из CMS Георгиос Кринтирас, аспирант Канзасского университета, "и это первый шаг в использовании высшего кварка в качестве нового мощного зонда кварк-глюонной плазмы".