Эксперимент CMS подтвердил существование топония на БАК
Новое исследование, проведенное в рамках эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере (LHC), официально подтвердило существование топония — крайне редкого связанного состояния, которое образуют топ-кварк и антикварк. Этот объект официально признан самым тяжелым композитным состоянием из всех, что когда-либо фиксировали физики. Его обнаружение стало недостающим звеном, которое завершает описание семейства состояний кварк–антикварк, удерживаемых сильным ядерным взаимодействием.
Почему это было сложно доказать
Топ-кварк считается самой массивной элементарной частицей, однако его крайне короткое время жизни долгое время заставляло ученых сомневаться в способности этой частицы формировать долгоживущие связанные структуры. Тем не менее, свежие данные коллаборации CMS, представленные на конференции по физике высоких энергий Rencontres de Moriond, наглядно подтвердили прошлогодние наблюдения, указывавшие на кратковременное объединение топ-кварков с антикварками.
В привычной нам материи электроны вращаются вокруг ядер атомов благодаря электромагнитному взаимодействию, а протоны и нейтроны представляют собой адроны — частицы, в которых кварки связаны сильным ядерным взаимодействием. Долгое время физики наблюдали подобные «союзы» для всех типов кварков, кроме топ-кварка.
Технология обнаружения редчайшего события
Топ-кварк был впервые открыт более 30 лет назад на ускорителе Tevatron, и с тех пор его свойства активно изучаются на LHC. Поскольку топ-кварк распадается практически мгновенно, до формирования связанного состояния, обнаружение топония стало возможным только благодаря огромному массиву данных: на коллайдере создаются сотни миллионов пар этих частиц, что позволило статистически вычленить редчайшие события.
Первые намеки на существование топония проявились в ходе поиска бозона Хиггса. Ученые зафиксировали аномальный избыток событий с массой, приближающейся к удвоенной массе топ-кварка (~2 × 173 ГэВ/с²). Детальные анализы, проведенные командами CMS и ATLAS, подтвердили, что этот избыток характерен именно для связанного состояния.
Роль искусственного интеллекта в физике частиц
Для текущего исследования специалисты CMS применили принципиально новый подход, анализируя каналы распада, в которых один топ-кварк распадается на нижний кварк, лептон и нейтрино, а второй образует джеты частиц. По словам Отто Хиндрихса из Университета Рочестера, выделение этого сигнала было крайне трудной задачей, которую удалось решить благодаря внедрению методов искусственного интеллекта для реконструкции столкновений.
Вместо прямого восстановления массы пары топ-кварк–антикварк мы анализировали их относительную скорость. Если формируется связанное состояние, то относительная скорость частиц должна быть значительно меньше, чем при их независимом рождении, — поясняет аспирант Ю-Хэн Ю.
Примененные методы оказались невероятно точными: статистическая значимость зафиксированного избытка событий превысила 5 сигма. Этот показатель является «золотым стандартом» в физике элементарных частиц для официального признания открытия.
Руководитель группы CMS Регина Демина подчеркивает, что топоний значительно тяжелее даже самого массивного из известных атомных ядер — оганессона. Это открытие не только впечатляет своими масштабами, но и дает ученым новый ключ к пониманию природы сильного ядерного взаимодействия.
