Физики нашли в данных БАК указания на топоний

При столкновениях протонов на высоких скоростях внутри Большого адронного коллайдера (БАК) образуются пары «топ-кварк — анти-топ-кварк (tt̄)». Эту группу частиц называют топониями, они предсказаны теоретически, но пока не были найдены. Измерение вероятности их образования (сечения процесса) служит не только проверкой Стандартной модели физики частиц, но и способом поиска новых, пока не открытых частиц.

Физики, работающие с детектором CMS (Compact Muon Solenoid, компактный мюонный соленоид), проанализировали большой массив данных по образованию tt̄-пар. Их собрали во время экспериментов в 2016-2018 годах, когда искали новые типы бозонов Хиггса.

Эти гипотетические бозоны, предсказанные физиками в теоретических расширениях Стандартной модели, должны особенно сильно взаимодействовать с тяжелым топ-кварком, масса которого в 184 раза больше массы протона. Если такие частицы действительно существуют, они должны в большинстве случаев распадаться на пару топ-кварков, производя характерные «струи» частиц в детекторах.

Повышенное число пар «топ-кварк — анти-топ-кварк» ученые обычно рассматривают как признак присутствия дополнительных хиггсовских бозонов. Однако в новых данных исследователи нашли огромное количество таких пар на минимально возможной энергии их образования. Это натолкнуло исследователей на альтернативную гипотезу — о топонии.

Хотя пары tt̄ не образуют устойчивых связанных состояний, расчеты в рамках квантовой хромодинамики предсказывают усиление образования кратковременных состояний на энергетическом пороге для пар «кварк — антикварк». По упрощенной модели, сечение образования топония составило 8,8 пикобарна с погрешностью примерно 15 процентов. Это превышает необходимый для заявлений об открытии уровень статистической достоверности в пять сигма — вероятность, что результат оказался случайным, крайне мала. Научная работа опубликована на сервере препринтов arXiv.org.

Даже с такой степенью уверенности ученые попробуют перепроверить данные и найти топоний в других экспериментах — теперь им известно, куда смотреть и что искать. Топоний станет последним звеном в ряду кваркониев — нестабильных состояний «кварк — антикварк», образованных тяжелыми кварками. Очарованный кварк образует со своей частицей чармоний, а прелестный — боттомоний.

Чармоний и боттомоний имеют размер примерно 0,6 и 0,4 фемтометра. До сих пор ботомоний считался самой маленькой из известных адронных частиц. Ученые ожидают, что из-за еще большей предсказанной массы топоний окажется существенно меньшего размера, что делает его потенциально самой компактной известной частицей такого типа.

Долгое время считалось, что топоний не может быть зарегистрирован в протон-протонных столкновениях, поскольку топ-кварк распадается на прелестный кварк и W-бозон за время, за которое свет проходит всего 0,1 фемтометра — меньше предполагаемого размера самой частицы. Топоний, таким образом, был бы уникальным среди кваркониев: он распадается не в результате аннигиляции материи и антиматерии, а из-за спонтанного распада одного из его составляющих кварков.

Ученые коллабораций CMS и ATLAS теперь совместно продолжают исследование этой аномалии. Хотя альтернативные объяснения пока нельзя исключить, результаты требуют дальнейшей проверки с помощью эксперимента ATLAS — «сестринского» проекта CMS.