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.
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).