Нові результати роботи колаборації CMS на Великому адронному колайдері ЦЕРНу вперше демонструють, що верхні кварки утворюються при зіткненнях ядра з ядром. Отримані результати відкривають шлях до нового та унікального дослідження екстремального стану матерії, яке, як вважається, існувало незабаром після Великого вибуху.
При масі, що приблизно в 170 разів перевищує масу протона, верхній кварк є найважчою з відомих елементарних частинок.
Вперше спостерігається в протон-антипротонних зіткненнях на Теватроні 25 років тому, ця частинка також є унікальним і потенційно дуже потужним інструментом для розуміння внутрішнього змісту матерії.
Створення пари частинка-античастинка такого масивного кварка вимагає, щоб велика кількість кінетичної енергії була перетворена на масу за допомогою однієї елементарної взаємодії.
Кварки і глюони всередині протонів і нейтронів мають дуже великий розкид енергії. Тому лише мала частина їх зіткнень проходить порогову енергію, необхідну для утворення топ-кварків.
Це означає, що, вибираючи події, що містять верхні кварки, ми неявно вивчаємо тільки найбільш енергійні елементарні зіткнення. Як наслідок принципу Гейзенберга, ці зіткнення досліджують найменші просторово-часові відстані.
Велика маса верхнього кварка також призводить до того, що він розпадається швидше, ніж будь-який інший відомий кварк. У той час як середній час життя верхнього кварка становить близько йоктосекунди (10-24 с), час життя його побратима, нижнього кварка, становить близько пікосекунди (10-12 С).
Це важливо, тому що йоктосекунда все ще в сотні разів коротше часу, необхідного для протікання квантово-хромодинамічних процесів (КХД). Ці процеси КХД включають адронізацію, яка «одягає» всі інші кварки до тих пір, поки кінцевий стан не містить тільки нейтральні за кольором частинки, де колір є еквівалентом заряду КХД.
Додатковими прикладами є освіта, розширення та охолодження кварк-глюонної плазми, для кожного з яких потрібен час близько 10-22 С.
Тому, на відміну від інших кварків, верхній кварк розпадається до того, як такі процеси можуть відбутися. Він також може розпадатися в самій кварк-глюонній плазмі. Цей розпад призводить до утворення інших кварків, які відчувають інтенсивну взаємодію з кварк-глюонною плазмою.
Виходячи з вищевикладених причин, верхні кварки можуть дати уявлення про зіткнення з найвищою енергією. Вони також дозволяють фізикам вивчати, як кварки, отримані в результаті розпаду топ-кварків, відчувають «гасіння» своєї енергії при взаємодії з кварк-глюонною плазмою.
«Більш швидкі верхні кварки дають пізніші знімки часу», - сказав доктор Гільєрме Мілано, фізик з ЦЕРНу. "Збираючи знімки, зроблені з верхніми кварками в діапазоні різних швидкостей, ми сподіваємося, що в кінцевому підсумку вдасться створити фільм еволюції кварк-глюонної плазми. Новий результат CMS являє собою найперший крок на цьому шляху.
Колаборація CMS виявила докази наявності верхніх кварків у великій вибірці даних про зіткнення свинцю зі свинцем при енергії 5,02 ТЕВ.
Дослідники шукали зіткнення, що породжують верхній кварк і верхній антикварк. Ці кварки дуже швидко розпадаються на W-бозон і нижній кварк, які, в свою чергу, також дуже швидко розпадаються на інші частинки.
Вчені шукали приватний випадок, в якому кінцевими продуктами розпаду є заряджені лептони (електрони або їх більш важкі родичі мюони) і «струмені» безлічі частинок, що походять з нижніх кварків.
Після виділення і підрахунку цих подій вчені оцінили ймовірність того, що зіткнення свинець-свинець призведуть до утворення пар верхнього кварка і антикварка через заряджені лептони і нижні кварки.
Результат має статистичну значимість близько чотирьох стандартних відхилень, тому він ще не переступив поріг у п'ять стандартних відхилень, необхідний для того, щоб стверджувати про спостереження виробництва топ-кварків.
Але це є значним доказом процесу - є тільки 0,003% шанс, що результат є статистичною випадковістю.
Більш того, результат узгоджується з теоретичними передбаченнями, а також з екстраполяціями з попередніх вимірювань ймовірності протон-протонних зіткнень при тій же енергії зіткнення.
«Наш результат демонструє здатність експерименту CMS проводити дослідження топ-кварків у складному середовищі зіткнень важких ядер», - кажуть вчені. «І це перший крок до використання верхнього кварка в якості нового і потужного зонда кварк-глюонної плазми».
Результати дослідження були опубліковані в журналі Physical Review Letters.