Вперше виявлено екзотичні частинки, яких було багато у ранньому Всесвіті

Вчені знайшли докази наявності загадкових X-частинок у кварк-глюонній плазмі, виробленій на Великому адронному колайдері.

Про це розповідають у Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

У перші мільйонні частки секунди після Великого вибуху Всесвіт являв собою збовтану трильйонно-градусну плазму з кварків і глюонів — елементарних частинок, які ненадовго зливалися у незліченних комбінаціях, перш ніж охолонути та перейти у більш стабільні конфігурації, щоб створити нейтрони та протони звичайної матерії.

У хаосі, що передував охолодженню, частина цих кварків і глюонів безладно зіштовхувалася, утворюючи недовговічні частинки "X", названі так через їх загадкові, невідомі структури. Сьогодні частинки X надзвичайно рідкісні, хоча фізики припускають, що вони можуть виникати у прискорювачах частинок шляхом коалесценції кварків, де високоенергетичні зіткнення можуть генерувати подібні спалахи кварк-глюонної плазми.

Тепер фізики з Лабораторії ядерних наук MIT та інших інститутів знайшли докази наявності X-частинок у кварк-глюонній плазмі, виробленій на Великому адронному колайдері (ВАК) в ЦЕРНі, Європейській організації ядерних досліджень, розташованої поблизу Женеви у Швейцарії.

Команда використовувала методи машинного навчання для того, щоб просіяти понад 13 мільярдів зіткнень важких іонів, кожне з яких призвело до утворення десятків тисяч заряджених частинок. Серед цього надщільного, високоенергетичного супу з частинок дослідники змогли виділити близько 100 X-частинок типу X (3872), названих так на честь передбачуваної маси частинки.

Результати, опубліковані цього тижня в журналі Physical Review Letters, знаменують собою перший раз, коли дослідники виявили X-частинки у кварк-глюонній плазмі — середовищі, яке, як вони сподіваються, проллє світло на ще невідому структуру частинок.

«Це лише початок історії», — каже провідний автор роботи Єн-Джі Лі, доцент кафедри фізики MIT. «Ми показали, що можемо знайти сигнал. У наступні кілька років ми хочемо використовувати кварк-глюонну плазму для дослідження внутрішньої структури X-частинки, що може змінити наше уявлення про те, який матеріал повинен виробляти Всесвіт».

Співавтори дослідження є членами Колаборації CMS, міжнародної групи вчених, яка керує та збирає дані з Компактного мюонного соленоїда, одного з детекторів частинок на ВАК.

Частинки в плазмі

Основними будівельними блоками матерії є нейтрон і протон, кожен з яких складається з трьох міцно зв'язаних кварків.

«Протягом багатьох років ми думали, що з якоїсь причини природа вирішила виробляти частинки лише з двох або трьох кварків», — каже Лі.

Лише недавно фізики почали помічати ознаки екзотичних "тетракварків" — частинок, створених із рідкісної комбінації чотирьох кварків. Вчені підозрюють, що X (3872) є або компактним тетракварком, або абсолютно новим типом молекули, що складається не з атомів, а з двох слабо зв’язаних мезонів — субатомних частинок, які самі складаються з двох кварків.

X (3872) вперше була відкрита у 2003 році в результаті експерименту на Belle, колайдері частинок в Японії, який зіштовхує разом високоенергійні електрони та позитрони. Однак у цьому середовищі рідкісні частинки розкладалися занадто швидко, щоб вчені могли детально вивчити їх структуру. Була висунута гіпотеза, що X (3872) та інші екзотичні частинки можуть бути краще освітлені у кварк-глюонній плазмі.

«Теоретично кажучи, в плазмі так багато кварків і глюонів, що виробництво X-частинок повинно бути посилено», — каже Лі. «Але люди вважали, що шукати їх буде надто важко, тому що в цьому кварковому супі утворюється так багато інших частинок».

"Дійсно сигнал"

У своєму новому дослідженні Лі та його колеги шукали ознаки X-частинок у кварк-глюонній плазмі, утвореної зіткненнями важких іонів у Великому адронному колайдері в ЦЕРНі. Свій аналіз вони ґрунтували на наборі даних ВАК за 2018 рік, який включав понад 13 мільярдів зіткнень іонів свинцю, кожне з яких вивільняло кварки та глюони, які розсіювалися та зливались, утворюючи понад квадрильйон недовговічних частинок перед охолодженням та розпадом.

«Після утворення та охолодження кварк-глюонної плазми виробляється так багато частинок, що фон стає переважним», — каже Лі. «Тому нам довелося подавити цей фон, щоб зрештою ми змогли побачити X-частинки в наших даних».

Для цього команда використовувала алгоритм машинного навчання, який вони навчили вибирати моделі розпаду, характерні для X-частинок. Відразу після того, як частинки утворюються у кварк-глюонній плазмі, вони швидко розпадаються на “дочірні” частинки, які розсіюються. Для частинок X ця модель розпаду, або кутовий розподіл, відрізняється від усіх інших частинок.

Дослідники на чолі з постдоком MIT Цзін Ваном визначили ключові змінні, які описують форму розпаду X-частинок. Вони навчили алгоритм машинного навчання розпізнавати ці змінні, а потім передали алгоритму фактичні дані з експериментів зіткнення на ВАК. Алгоритм зміг просіяти надзвичайно щільний та шумний набір даних, щоб вибрати ключові змінні, які, ймовірно, були результатом розпаду X-частинок.

«Нам вдалося зменшити фон на порядки, щоб побачити сигнал», — каже Ван.

Дослідники збільшили масштаб сигналів і помітили пік при певній масі, що вказує на присутність частинок X (3872), всього близько 100.

«Майже неможливо уявити, що ми можемо виділити ці 100 частинок із цього величезного набору даних», — каже Лі, який разом із Ваном провів багато перевірок для підтвердження свого спостереження.

«Кожного вечора я запитував себе, це справді сигнал чи ні?» — згадує Ван. «І зрештою дані сказали так!»

У наступні рік-два дослідники планують зібрати набагато більше даних, які повинні допомогти з’ясувати структуру частинки X. Якщо частинка являє собою міцно зв’язаний тетракварк, вона повинна розпадатися повільніше, ніж якби це була слабо зв’язана молекула. Тепер, коли команда продемонструвала, що X-частинки можна виявити у кварк-глюонній плазмі, вони планують більш детально досліджувати цю частинку за допомогою кварк-глюонної плазми, щоб визначити структуру X-частинки.

«Наразі наші дані узгоджуються з обома варіантами, тому що у нас ще недостатньо статистичних даних. У наступні кілька років ми отримаємо набагато більше даних, щоб ми могли розділити ці два сценарії», — каже Лі. «Це розширить наше уявлення про типи частинок, які у великій кількості вироблялися в ранньому Всесвіті».