Истинные кварки помогут изучить неизведанные силы природы

Ученые, работающие над экспериментом ATLAS в ЦЕРН, возможно, обнаружили один из самых редких феноменов, предсказанный Стандартной моделью физики элементарных частиц.

Уже несколько десятилетий физики пытаются изучить природу самых малых расстояний, сталкивая частицы на максимально высоких энергиях. Хотя Стандартная модель физики элементарных частиц успешно объясняла большинство результатов экспериментов, многие феномены оставались неразгаданными. То есть в природе, скорее всего, еще существуют новые частицы, силы или более общие концепции, которые можно открыть на более высоких энергиях.

«Производство четырех истинных кварков» — многообещающее поле для исследований. Это неуловимый процесс Стандартной модели, который пока еще не удалось наблюдать экспериментально. В этом случае две пары истинных кварков — самых тяжелых из известных элементарных частиц — производятся одновременно в результате столкновения, тем самым концентрируя большой объем энергии в одной точке. Это происходит настолько редко, что в наборе данных о 30 миллионах пар истинных кварков, проанализированном при эксперименте ATLAS в ЦЕРН, всего 350 столкновений потенциально могли произвести четыре истинных кварка.

Коллаборация ATLAS опубликовала последние результаты о получении четырех истинных кварков в протон-протонных столкновениях в базе препринтов arXiv.org. Ученые изучили данные, полученные на Большом адронном коллайдере (БАК) в 2015—2016 годах. При распаде истинный кварк воспроизводит «конечные состояния» тремя (более легкими) кварками или одним кварком, нейтрино и заряженным лептоном. Таким образом, события, в которых одновременно производится несколько истинных кварков, могут иметь очень разные топологии конечных состояний в зависимости от комбинации распадов. Физики ATLAS проанализировали каждую из этих топологии, прежде чем объединить их для финальных результатов.

Степень производства четырех истинных кварков в предсказаниях Стандартной модели, измеренная экспериментом ATLAS для разных проанализированных конечных состояний и их комбинаций / © ATLAS Collaboration/CERN

Все конечные состояния характеризуются присутствием большого числа высокоэнергетических частиц. И хотя тем самым упрощается выделение сигнальных сигнатур четырех истинных кварков из фоновых процессов, это также усложняет предсказание того, сколько фоновых событий могут быть ошибочно интерпретированы как события производства четырех истинных кварков.

Чтобы разобраться, ученые из ATLAS прибегли к сложной технике анализа для оценки объема фона в этих «оживленных» средах. В сочетании с исключительной работой датчиков они достигли беспрецедентно чувствительного результата, исключив сигнал с производительностью выше в 2,1 раза, чем предсказано Стандартной моделью.

Анализ данных показал незначительный сигнал производства четырех истинных кварков. Чтобы узнать, была ли это статистическая флуктуация или действительно удалось зарегистрировать производство двух пар истинных кварков, нужно дождаться обновления результатов после анализа более широкого набора данных в ходе новых экспериментов.