На Большом адронном коллайдере (БАК) впервые удалось зафиксировать рождение топ-кварков в результате столкновений ядер свинца. Это фундаментальное открытие позволяет учёным заглянуть в первые мгновения после Большого взрыва, когда вся материя существовала в виде экзотического состояния — кварк-глюонной плазмы.
Что такое кварк-глюонная плазма?
Кварк-глюонная плазма (КГП) — это особое состояние вещества, возникающее при чудовищных температурах и плотностях, которые в обычных условиях невозможно воссоздать. В ней кварки (фундаментальные частицы, из которых состоят протоны и нейтроны) и глюоны (частицы-переносчики сильного взаимодействия, «склеивающего» кварки) существуют в свободном виде, не будучи заключёнными внутри нуклонов. Считается, что именно в таком виде существовала вся материя нашей Вселенной в первые микросекунды после её рождения, что дало КГП поэтичное название «первичный бульон».
Существует шесть разновидностей, или «ароматов», кварков. Самые лёгкие — верхние и нижние — составляют основу привычной нам материи. Более тяжёлые — странные, очарованные, прелестные и, наконец, топ-кварк — рождаются лишь в высокоэнергетических процессах, например, в ускорителях частиц.
Обратите внимание: В космосе были обнаружены следы ударных волн Второй мировой войны.
Интересно, что недавние исследования даже предполагают возможное присутствие очарованного кварка внутри протона, хотя эта гипотеза всё ещё вызывает дискуссии среди физиков.Почему топ-кварк так важен?
Топ-кварк — это настоящий гигант в мире элементарных частиц. Его масса сравнима с массой целой молекулы кофеина, что делает его самым тяжёлым из известных кварков. Однако такая огромная масса делает его и крайне нестабильным: он распадается невероятно быстро, примерно за 5×10⁻²⁵ секунды. Это настолько короткий промежуток времени, что топ-кварк даже не успевает пройти процесс адронизации (объединения с другими кварками) и всегда наблюдается только по продуктам своего распада.
Долгое время учёные сомневались, могут ли столь массивные и недолговечные частицы вообще существовать внутри быстротечной кварк-глюонной плазмы, время жизни которой составляет около 10⁻²³ секунды. Оказалось, что могут! И хотя плазма существует всего в десять раз дольше топ-кварка, этой задержки достаточно, чтобы использовать его в качестве уникального инструмента.
Топ-кварк как маркер времени
Именно это и удалось сделать исследователям коллаборации ATLAS. Они впервые обнаружили следы рождения пары топ-антитоп-кварков в продуктах распада от столкновений ядер свинца. Поскольку топ-кварк рождается и распадается на разных этапах эволюции кварк-глюонной плазмы, он действует как идеальный маркер времени, позволяя учёным буквально пошагово отслеживать, как менялось состояние «первичного бульона».
Обнаружение с беспрецедентной статистической точностью
На БАК частицы идентифицируют не напрямую, а по характерным следам — продуктам их распада. Топ-кварк распадается на W-бозон и b-кварк. W-бозон, в свою очередь, может распасться на лептон (электрон или мюон) и нейтрино.
В данном эксперименте физики анализировали столкновения ядер свинца и искали так называемый дилептонный канал распада, когда образуются два лептона. Статистическая значимость обнаружения пары топ-кварков составила 5.03 сигма, что существенно превышает порог в 5 сигма, необходимый для официального объявления об открытии в физике элементарных частиц.
«Наблюдение этого процесса подтверждает, что в предравновесной фазе кварк-глюонной плазмы, аналогичной условиям ранней Вселенной, присутствует всё разнообразие кварков, включая самые тяжёлые», — пояснили авторы исследования. Они также отметили, что «этот результат открывает новую эру в использовании топ-кварков как зондов для изучения КГП и физики первых мгновений жизни Вселенной».
Помимо космологических открытий, изучение топ-кварков в таких экстремальных условиях может пролить свет на внутреннюю структуру протонов и нейтронов, а также помочь в проверке многих фундаментальных положений Стандартной модели физики частиц.
Читайте все последние новости астрофизики на New-Science.ruБольше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Топ-кварки впервые были обнаружены в столкновении ядер свинца на Большом адронном коллайдере (БАК).