Топ-кварк + анти-топ: частицы, обречённые на одиночество, столкнулись. Назло всем законам
NewsMakerПолучается, топоний всё-таки существует?
Физики из ЦЕРН зафиксировали явление, которое ранее считалось невозможным: самые массивные и скоротечные частицы во Вселенной — топ-кварки — способны ненадолго объединяться со своими антипартнёрами в особое квазисвязанное состояние. Это открытие, подтверждённое сразу двумя крупными экспериментами на Большом адронном коллайдере , ставит под сомнение представление о топ-кварках как об абсолютно изолированных частицах и намекает на куда более сложную динамику внутри Стандартной модели.
О необычном эффекте впервые сообщили исследователи эксперимента CMS, проанализировав данные за 2016–2018 годы. Тогда при изучении процессов, потенциально связанных с неизвестными формами бозона Хиггса, они столкнулись с аномальным избытком пар топ + анти-топ — результат, который сам по себе может указывать на присутствие новых частиц. Однако оказалось, что этот пик не связан с экзотикой, а появляется ровно на энергетическом пороге, необходимом для создания такой пары. Это необычное совпадение сразу же привлекло внимание.
На прошедшей 7 июля в Марселе конференции Европейского физического общества по физике высоких энергий стало известно: эксперимент ATLAS подтвердил ту же аномалию, используя полный набор данных Run-2 (2015–2018 годы). Таким образом, независимые наблюдения двух крупнейших коллайдерных установок исключили вероятность того, что речь идёт о статистической флуктуации или техническом артефакте. У исследователей появилась новая рабочая гипотеза: топоний — кратковременное связанное состояние топ-кварка и анти-топ-кварка, удерживаемое взаимодействием через глюоны.
До недавнего времени считалось, что такие состояния невозможны в природе именно для топ-кварков. Их нестабильность выходит за все мыслимые пределы: частица распадается за время менее чем одна триллионная триллионной доли секунды. Из-за этого она не успевает сформировать устойчивые или даже промежуточные соединения, в отличие от более лёгких кварков, которые объединяются в протоны, мезоны или, скажем, чармоний (c-кварк + анти-c-кварк) и боттомоний (b-кварк + анти-b-кварк).
Тем не менее, вблизи энергетического порога образования пары, ситуация меняется. Глюоны — носители сильного взаимодействия — способны на короткое время притянуть кварки друг к другу, образуя квазисвязь. В этом состоянии они не просто появляются рядом, а взаимодействуют как единое целое, хотя и на предельно короткой дистанции.
CMS зафиксировал сечение образования топония в размере 8,8 пикобарн с погрешностью ±1,3 пикобарн. Это превышает порог пяти сигма — стандартную границу, после которой в физике частиц можно говорить о настоящем открытии. В свою очередь, ATLAS получил близкий результат: 9,0 ± 1,3 пикобарн и значимость 7,7 сигма, чего достаточно, чтобы отвергнуть все более простые объяснения.
То, что когда-то считалось неуловимым эффектом из области не-релятивистской квантовой хромодинамики (QCD), теперь становится объектом измерений. Это потребует новой волны теоретических расчётов, ведь такие квазисостояния не поддаются классическим моделям — особенно если они возникают в условиях экстремально высокой массы и короткого времени жизни.
Одной из гипотез, которую обсуждают учёные, является существование неизвестной частицы, масса которой близка к удвоенной массе топ-кварка. Такая частица могла бы формироваться в глюонных столкновениях и распадаться как раз в пару топ + анти-топ. Но чтобы подтвердить это, потребуется гораздо более точное моделирование поведения кварков и глюонов на пороге взаимодействия — задача, лежащая на грани возможностей современной QCD.
Почему этот эффект удалось заметить только сейчас? Дело не только в тонкости самого явления, но и в его редкости. Такие события — пороговые, малочастотные, едва заметные на фоне статистического шума. Лишь благодаря накопленным данным Run-2, охватывающим миллиарды протон-протонных столкновений, и существенному прогрессу в аналитических методах, исследователи смогли выделить нужный сигнал.
Если существование топония будет окончательно подтверждено, он станет третьим в ряду таких двойных квазисостояний — после чармония и боттомония. В этом смысле он не только завершает триаду тяжёлых кварковых пар, но и показывает, что даже самые короткоживущие частицы во Вселенной способны на связь, пусть и мгновенную.
Впереди — новый экспериментальный цикл. Сейчас идёт Run-3 Большого адронного коллайдера , и физики надеются, что свежие данные позволят прояснить детали механизма, стоящего за этим странным притяжением кварков. Возможно, это станет не просто подтверждением QCD-эффекта, а ключом к новым состояниям материи или даже признакам физики за пределами Стандартной модели . Подобные открытия могут оказаться столь же революционными, как недавние достижения в области квантовой физики , где учёные продолжают обнаруживать явления, которые бросают вызов привычным представлениям о природе реальности. В контексте развития квантовых технологий такие фундаментальные открытия могут открыть путь к принципиально новым способам понимания и управления материей на субатомном уровне.
Физики из ЦЕРН зафиксировали явление, которое ранее считалось невозможным: самые массивные и скоротечные частицы во Вселенной — топ-кварки — способны ненадолго объединяться со своими антипартнёрами в особое квазисвязанное состояние. Это открытие, подтверждённое сразу двумя крупными экспериментами на Большом адронном коллайдере , ставит под сомнение представление о топ-кварках как об абсолютно изолированных частицах и намекает на куда более сложную динамику внутри Стандартной модели.
О необычном эффекте впервые сообщили исследователи эксперимента CMS, проанализировав данные за 2016–2018 годы. Тогда при изучении процессов, потенциально связанных с неизвестными формами бозона Хиггса, они столкнулись с аномальным избытком пар топ + анти-топ — результат, который сам по себе может указывать на присутствие новых частиц. Однако оказалось, что этот пик не связан с экзотикой, а появляется ровно на энергетическом пороге, необходимом для создания такой пары. Это необычное совпадение сразу же привлекло внимание.
На прошедшей 7 июля в Марселе конференции Европейского физического общества по физике высоких энергий стало известно: эксперимент ATLAS подтвердил ту же аномалию, используя полный набор данных Run-2 (2015–2018 годы). Таким образом, независимые наблюдения двух крупнейших коллайдерных установок исключили вероятность того, что речь идёт о статистической флуктуации или техническом артефакте. У исследователей появилась новая рабочая гипотеза: топоний — кратковременное связанное состояние топ-кварка и анти-топ-кварка, удерживаемое взаимодействием через глюоны.
До недавнего времени считалось, что такие состояния невозможны в природе именно для топ-кварков. Их нестабильность выходит за все мыслимые пределы: частица распадается за время менее чем одна триллионная триллионной доли секунды. Из-за этого она не успевает сформировать устойчивые или даже промежуточные соединения, в отличие от более лёгких кварков, которые объединяются в протоны, мезоны или, скажем, чармоний (c-кварк + анти-c-кварк) и боттомоний (b-кварк + анти-b-кварк).
Тем не менее, вблизи энергетического порога образования пары, ситуация меняется. Глюоны — носители сильного взаимодействия — способны на короткое время притянуть кварки друг к другу, образуя квазисвязь. В этом состоянии они не просто появляются рядом, а взаимодействуют как единое целое, хотя и на предельно короткой дистанции.
CMS зафиксировал сечение образования топония в размере 8,8 пикобарн с погрешностью ±1,3 пикобарн. Это превышает порог пяти сигма — стандартную границу, после которой в физике частиц можно говорить о настоящем открытии. В свою очередь, ATLAS получил близкий результат: 9,0 ± 1,3 пикобарн и значимость 7,7 сигма, чего достаточно, чтобы отвергнуть все более простые объяснения.
То, что когда-то считалось неуловимым эффектом из области не-релятивистской квантовой хромодинамики (QCD), теперь становится объектом измерений. Это потребует новой волны теоретических расчётов, ведь такие квазисостояния не поддаются классическим моделям — особенно если они возникают в условиях экстремально высокой массы и короткого времени жизни.
Одной из гипотез, которую обсуждают учёные, является существование неизвестной частицы, масса которой близка к удвоенной массе топ-кварка. Такая частица могла бы формироваться в глюонных столкновениях и распадаться как раз в пару топ + анти-топ. Но чтобы подтвердить это, потребуется гораздо более точное моделирование поведения кварков и глюонов на пороге взаимодействия — задача, лежащая на грани возможностей современной QCD.
Почему этот эффект удалось заметить только сейчас? Дело не только в тонкости самого явления, но и в его редкости. Такие события — пороговые, малочастотные, едва заметные на фоне статистического шума. Лишь благодаря накопленным данным Run-2, охватывающим миллиарды протон-протонных столкновений, и существенному прогрессу в аналитических методах, исследователи смогли выделить нужный сигнал.
Если существование топония будет окончательно подтверждено, он станет третьим в ряду таких двойных квазисостояний — после чармония и боттомония. В этом смысле он не только завершает триаду тяжёлых кварковых пар, но и показывает, что даже самые короткоживущие частицы во Вселенной способны на связь, пусть и мгновенную.
Впереди — новый экспериментальный цикл. Сейчас идёт Run-3 Большого адронного коллайдера , и физики надеются, что свежие данные позволят прояснить детали механизма, стоящего за этим странным притяжением кварков. Возможно, это станет не просто подтверждением QCD-эффекта, а ключом к новым состояниям материи или даже признакам физики за пределами Стандартной модели . Подобные открытия могут оказаться столь же революционными, как недавние достижения в области квантовой физики , где учёные продолжают обнаруживать явления, которые бросают вызов привычным представлениям о природе реальности. В контексте развития квантовых технологий такие фундаментальные открытия могут открыть путь к принципиально новым способам понимания и управления материей на субатомном уровне.