Последний свидетель Большого взрыва: топ-кварк приоткрывает завесу над историей Вселенной
NewsMakerВот он — недостающий ингредиент первородного космического супа.
Международная коллаборация ATLAS зафиксировала присутствие самой массивной из известных элементарных частиц в первичной материи Вселенной. Эксперимент на Большом адронном коллайдере подтвердил, что редчайшие топ-кварки формировались в первые мгновения после рождения космоса, когда вещество существовало в виде сверхгорячей субатомной "плазмы".
В основе всей видимой материи лежат шесть разновидностей кварков — фундаментальных частиц, которые в обычных условиях прочно удерживаются внутри протонов и нейтронов могущественным сильным взаимодействием. Однако в первые доли секунды после Большого взрыва температура достигала столь колоссальных значений, что эти частицы вместе с переносчиками сильного взаимодействия — глюонами — образовывали особое состояние материи, напоминающее жидкость.
Это экзотическое состояние, именуемое кварк-глюонной плазмой, просуществовало около десяти микросекунд, пока расширяющаяся Вселенная не остыла достаточно для формирования первых атомных ядер. Современные учёные воссоздают эти экстремальные условия ранней Вселенной в нескольких лабораториях мира: на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе (Швейцария) и других установках.
Исследователи изучают свойства "первичного супа" несколькими способами. Один из них — наблюдение за тем, как частицы теряют энергию, пролетая сквозь плазму. Этот процесс, получивший название "гашение струй", проявляется в уменьшении числа регистрируемых частиц по сравнению с обычными столкновениями протонов. Другой метод основан на анализе подавления образования связанных состояний тяжёлых кварков и их античастиц — так называемых кваркониев.
До настоящего момента специалистам удавалось наблюдать в кварк-глюонной плазме пять типов кварков, различающихся по массе и другим характеристикам. Самый тяжёлый представитель семейства — топ-кварк — долгое время оставался неуловимым из-за своих уникальных свойств. Его масса в сорок раз превышает показатели следующего по тяжести прелестного кварка и в семьдесят тысяч раз — лёгкого верхнего. При этом время существования частицы составляет лишь септиллионную долю секунды.
В прошлом году физикам впервые удалось зарегистрировать рождение топ-кварков в столкновениях протонов с ядрами свинца. Это достижение позволило уточнить, как распределяется импульс между составными частями атомного ядра при сверхвысоких энергиях. Такое распределение описывается особыми функциями, играющими ключевую роль в квантовой хромодинамике — теории сильного взаимодействия.
Новый эксперимент пошёл дальше: учёные впервые обнаружили пары топ-кварк–антикварк в столкновениях двух ядер свинца. В отличие от предыдущих опытов, такие соударения порождают долгоживущую кварк-глюонную плазму, в которой крайне сложно идентифицировать короткоживущие объекты.
Исследователи искали характерные каскады распадов: каждая пара топ-антитоп порождает два лёгких лептона (электрон и мюон), пару неуловимых нейтрино и два прелестных кварка. Анализ информации, собранной в 2015 и 2018 годах, позволил достичь высочайшего уровня статистической достоверности — "пяти сигм", что считается золотым стандартом для научных открытий в физике элементарных частиц.
Полученные результаты согласуются с теоретическими предсказаниями и позволяют точнее описать структуру атомных ядер при экстремальных плотностях энергии. Более того, теперь у специалистов есть неопровержимые свидетельства того, что все шесть разновидностей кварков присутствовали в первичной материи молодой Вселенной.
В ближайшие годы физики планируют провести более детальные измерения поведения топ-кварков в кварк-глюонной плазме. Это станет возможным благодаря повышению интенсивности столкновений на Большом адронном коллайдере. Дополнительные сведения о структуре ядерного вещества предоставит строящийся в США электрон-ионный коллайдер. Комбинация разных исследований поможет создать более полную картину первых мгновений существования нашей реальности.
Международная коллаборация ATLAS зафиксировала присутствие самой массивной из известных элементарных частиц в первичной материи Вселенной. Эксперимент на Большом адронном коллайдере подтвердил, что редчайшие топ-кварки формировались в первые мгновения после рождения космоса, когда вещество существовало в виде сверхгорячей субатомной "плазмы".
В основе всей видимой материи лежат шесть разновидностей кварков — фундаментальных частиц, которые в обычных условиях прочно удерживаются внутри протонов и нейтронов могущественным сильным взаимодействием. Однако в первые доли секунды после Большого взрыва температура достигала столь колоссальных значений, что эти частицы вместе с переносчиками сильного взаимодействия — глюонами — образовывали особое состояние материи, напоминающее жидкость.
Это экзотическое состояние, именуемое кварк-глюонной плазмой, просуществовало около десяти микросекунд, пока расширяющаяся Вселенная не остыла достаточно для формирования первых атомных ядер. Современные учёные воссоздают эти экстремальные условия ранней Вселенной в нескольких лабораториях мира: на Релятивистском коллайдере тяжёлых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории (США), в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе (Швейцария) и других установках.
Исследователи изучают свойства "первичного супа" несколькими способами. Один из них — наблюдение за тем, как частицы теряют энергию, пролетая сквозь плазму. Этот процесс, получивший название "гашение струй", проявляется в уменьшении числа регистрируемых частиц по сравнению с обычными столкновениями протонов. Другой метод основан на анализе подавления образования связанных состояний тяжёлых кварков и их античастиц — так называемых кваркониев.
До настоящего момента специалистам удавалось наблюдать в кварк-глюонной плазме пять типов кварков, различающихся по массе и другим характеристикам. Самый тяжёлый представитель семейства — топ-кварк — долгое время оставался неуловимым из-за своих уникальных свойств. Его масса в сорок раз превышает показатели следующего по тяжести прелестного кварка и в семьдесят тысяч раз — лёгкого верхнего. При этом время существования частицы составляет лишь септиллионную долю секунды.
В прошлом году физикам впервые удалось зарегистрировать рождение топ-кварков в столкновениях протонов с ядрами свинца. Это достижение позволило уточнить, как распределяется импульс между составными частями атомного ядра при сверхвысоких энергиях. Такое распределение описывается особыми функциями, играющими ключевую роль в квантовой хромодинамике — теории сильного взаимодействия.
Новый эксперимент пошёл дальше: учёные впервые обнаружили пары топ-кварк–антикварк в столкновениях двух ядер свинца. В отличие от предыдущих опытов, такие соударения порождают долгоживущую кварк-глюонную плазму, в которой крайне сложно идентифицировать короткоживущие объекты.
Исследователи искали характерные каскады распадов: каждая пара топ-антитоп порождает два лёгких лептона (электрон и мюон), пару неуловимых нейтрино и два прелестных кварка. Анализ информации, собранной в 2015 и 2018 годах, позволил достичь высочайшего уровня статистической достоверности — "пяти сигм", что считается золотым стандартом для научных открытий в физике элементарных частиц.
Полученные результаты согласуются с теоретическими предсказаниями и позволяют точнее описать структуру атомных ядер при экстремальных плотностях энергии. Более того, теперь у специалистов есть неопровержимые свидетельства того, что все шесть разновидностей кварков присутствовали в первичной материи молодой Вселенной.
В ближайшие годы физики планируют провести более детальные измерения поведения топ-кварков в кварк-глюонной плазме. Это станет возможным благодаря повышению интенсивности столкновений на Большом адронном коллайдере. Дополнительные сведения о структуре ядерного вещества предоставит строящийся в США электрон-ионный коллайдер. Комбинация разных исследований поможет создать более полную картину первых мгновений существования нашей реальности.