Физики впервые обнаружили загадочные частицы X в " "первичном бульоне"

Таинственная частица, которая, как считалось, существовала недолго после Большого взрыва, впервые обнаружена в "первобытном бульоне".

Точнее, в среде под названием кварк-глюонная плазма, образовавшаяся в Большом адронном коллайдере в результате столкновения ионов свинца. Там, среди триллионов частиц, образующихся в результате этих столкновений, физикам удалось выделить 100 экзотических молекул, известных как X-частицы.

"Это только начало истории", - говорит физик Йен-Джи Ли из Массачусетского технологического института, член международной коллаборации CMS со штаб-квартирой в ЦЕРНе в Швейцарии.

"Мы показали, что можем найти сигнал. В ближайшие несколько лет мы хотим использовать кварк-глюонную плазму для исследования внутренней структуры частицы X, что может изменить наше представление о том, какой материал должна производить Вселенная".

Спустя мгновения после Большого взрыва ранняя Вселенная не состояла из того материала, который мы видим сегодня. Вместо этого в течение нескольких миллионных долей секунды она была заполнена плазмой, перегретой до триллионов градусов, состоящей из элементарных частиц, называемых кварками и глюонами. Это и есть кварк-глюонная плазма.

За время, меньшее, чем требуется, чтобы моргнуть, плазма охладилась, и частицы собрались вместе, образовав протоны и нейтроны, из которых сегодня состоит обычная материя. Но за этот короткий промежуток времени частицы в кварк-глюонной плазме сталкивались, сцеплялись друг с другом и снова распадались в различных конфигурациях.

Одна из этих конфигураций - частица настолько загадочная, что мы даже не знаем, как она собрана вместе. Это частица X, и ее очень редко и ненадолго наблюдали в коллайдерах частиц - слишком ненадолго, чтобы ее можно было исследовать.

Теоретически, однако, частицы X могут появляться в очень маленьких вспышках кварк-глюонной плазмы, которую физики уже несколько лет создают в ускорителях частиц. И это может дать лучшую возможность понять их.

Во время работы Большого адронного коллайдера в 2018 году положительно заряженные атомы свинца сталкивались друг с другом на высоких скоростях. Каждое из этих примерно 13 миллиардов столкновений привело к образованию потока из десятков тысяч частиц. Это колоссальный объем данных, который необходимо просеять.

"Теоретически, в плазме так много кварков и глюонов, что производство X-частиц должно быть усилено", - говорит Ли. "Но люди думали, что искать их будет слишком сложно, потому что в этом кварковом бульоне образуется так много других частиц".

Хотя X-частицы очень недолговечны, при их распаде образуется целый поток частиц меньшей массы. Чтобы упростить процесс анализа данных, команда разработала алгоритм для распознавания паттернов, характерных для распада X-частиц. Затем они загрузили данные БАК за 2018 год в свою программу.

Алгоритм определил сигнал с определенной массой, который указывал на присутствие в данных около 100 X-частиц. Это отличное начало.

"Почти немыслимо, что мы можем выделить эти 100 частиц из такого огромного набора данных", - сказал Ли.

На данный момент данных недостаточно, чтобы узнать больше о структуре X-частицы, но это открытие может приблизить нас к цели. Теперь, когда мы знаем, как найти сигнатуру X-частицы, ее будет гораздо легче обнаружить в будущих наборах данных. В свою очередь, чем больше у нас будет данных, тем легче будет их осмыслить.

Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Физики считают, что X-частицы могут состоять из четырех - либо из экзотической, тесно связанной частицы, известной как тетракварк, либо из нового вида слабо связанной частицы, состоящей из двух мезонов, каждый из которых содержит два кварка. Если это первая частица, то, поскольку она более плотно связана, она будет распадаться медленнее, чем вторая.

"В настоящее время наши данные согласуются с обоими вариантами, потому что у нас еще недостаточно статистики. В ближайшие несколько лет мы получим гораздо больше данных и сможем разделить эти два сценария", - говорит Ли.

"Это расширит наше представление о видах частиц, которые в изобилии производились в ранней Вселенной".

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.