Новое открытие ATLAS в ЦЕРНе: впервые обнаружены высшие кварки в столкновениях ионов свинца

Топ-кварки как уникальные «зонды» для изучения временной динамики кварк-глюонной плазмы

Участники коллаборации ATLAS на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе объявили о первом наблюдении высших кварков в столкновениях ионов свинца, что стало значительным прорывом в физике столкновений тяжёлых ионов. Это открытие позволяет учёным исследовать кварк-глюонную плазму (КГП) — состояние материи, которое, как считается, заполняло Вселенную вскоре после Большого взрыва.

КГП представляет собой «неограниченное» состояние материи, в котором кварки (частицы материи) и глюоны (переносчики сильного взаимодействия) не связаны внутри частиц, а существуют в виде почти идеальной плотной жидкости. Из-за чрезвычайно короткого времени жизни КГП — около 10^-23 секунд — его невозможно наблюдать напрямую. Вместо этого физики изучают частицы, которые рождаются в столкновениях тяжёлых ионов и проходят через КГП, используя их в качестве «зондов» свойств КГП.

Эксперимент столкновения свинца, в результате которого образовалась пара кандидатов топ-кварков, распадающихся на другие частицы. Событие содержит четыре струи частиц (жёлтые конусы), один электрон (зелёная линия) и один мюон (красная линия). Источник: ATLAS / CERN

Топ-кварк, самая тяжёлая известная элементарная частица, является многообещающим зондом эволюции КГП с течением времени. Быстрый распад на другие частицы позволяет использовать его в качестве «временного маркера», предоставляя уникальную возможность для изучения временной динамики КГП.

В новом исследовании физики ATLAS изучили столкновения ионов свинца при энергии столкновения 5,02 тераэлектронвольт (ТэВ) на пару нуклонов. Они наблюдали рождение топ-кварка в «дилептонном канале», где топ-кварки распадаются на нижний кварк и W-бозон, который впоследствии распадается либо на электрон, либо на мюон и связанное с ним нейтрино.

Результат имеет статистическую значимость 5,0 стандартных отклонений, что делает его первым наблюдением образования пары топ-кварков в столкновениях ядро-ядро. Ранее коллаборация CMS сообщала о доказательствах этого процесса в столкновениях свинца-свинца.

Наблюдение стало возможным благодаря точным возможностям реконструкции лептонов эксперимента ATLAS, высокой статистике полного набора данных свинец-свинец, основанным на данных фоновых процессов, новым симуляциям событий топ-кварка и специальным методам калибровки струй.

Физики ATLAS измерили скорость образования пары топ-кварков, или «сечение», с относительной погрешностью 35%. Общая погрешность в первую очередь обусловлена размером набора данных, что означает, что новые данные по тяжёлым ионам из текущего запуска 3 повысят точность измерения.

Новый результат ATLAS открывает окно в изучение КГП и позволяет учёным получить первое представление об эволюции КГП с течением времени. В будущих исследованиях физики ATLAS также рассмотрят «полулептонный» канал распада пар топ-кварков в столкновениях тяжёлых ионов, что может позволить им получить более глубокое понимание природы сильного взаимодействия и условий ранней Вселенной.