Открытия из прошлого: результаты работы Большого адронного коллайдера

Этим летом Большой адронный коллайдер запустили на полную мощность после масштабной модернизации, которая длилась почти четыре года. Все это время ученые в ЦЕРНе не сидели без дела: они анализировали массивы данных, полученных в прошлую экспериментальную кампанию. Самые интересные результаты — ​в нашем обзоре.

Экзотическое трио

Физики из коллаборации LHCb обнаружили сразу три новые экзотические частицы. Напомним, в физике элементарных частиц описаны шесть типов кварков. Им соответствуют антикварки — ​античастицы с противоположными квантовыми числами. Кварки и антикварки могут группироваться, образуя адроны — ​частицы с сильным взаимодействием. Хорошо известные адроны состоят из двух или трех кварков. Но в последнее время обнаруживаются более сложные субатомные элементы — ​экзотические адроны, которые включают четыре (тетракварки) или пять (пентакварки) частиц.

В LHCb во время распада отрицательно заряженных В-мезонов зафиксировали пентакварк, в который входит странный кварк. Это первый известный адрон, состоящий из пяти частиц, со странным кварком. Вторая находка — ​тетракварк с двойным электрическим зарядом. Это адрон с открытым очарованием: очарованный кварк, странный антикварк, верхний и нижний антикварки. Вместе с ним исследователи обнаружили его нейтральный аналог. Оба адрона были найдены при анализе совместных распадов положительно заряженных и нейтральных B-мезонов. Физики отмечают, что это первый случай наблюдения пары тетракварков и что обнаружение новых типов экзотических адронов поможет создать единую теорию, которая опишет все виды таких субатомных элементов.

Границы распада

Коллаборации ATLAS и CMS много лет ищут на Большом адронном коллайдере частицы темной материи. Есть предположение, что такие частицы образуются в результате распада бозонов Хиггса. Пока в экспериментах зарегистрированы только фоновые шумы, но физики утверждают, что это и есть признаки возникновения темной материи. Свою правоту ученые рассчитывают доказать в ходе новой экспериментальной кампании на БАКе. Пока установка была на модернизации, они немного облегчили себе задачу. Анализируя данные прошлых экспериментов, рассчитали, что бозон Хиггса не может распадаться в невидимые частицы чаще, чем в 15 % случаев для варианта данных эксперимента ATLAS и 18 % — ​для варианта данных эксперимента CMS. Ранее ученые в результате теоретического моделирования на основе Стандартной модели получали 10 %.

Сколько вешать в «гэвах»?

Топ-кварк, или истинный кварк, имеет массу 171,77±0,38 ГэВ. Об этом уверенно заявила коллаборация CMS после того, как поработала с данными 2016 года. Из всех столкновений частиц для анализа были взяты только данные о столкновениях, в результате которых появлялась пара истинных кварков. Погрешность измерения составила 0,22 %. Ученые намерены повысить точность, проверив данные, полученные на БАКе в 2017 и 2018 годы.

Знание точного значения массы элементарных частиц имеет первостепенную важность для понимания устройства нашего мира. Это позволяет выполнить проверки внутренних последовательностей и математического описания элементарных частиц Стандартной модели.

Конус смерти

Кварки и глюоны, обобщенно называемые партонами, образуются от столкновения протонов. После рождения партоны проходят через цепочку событий — ​партонный ливень — и теряют энергию, испуская излучение в виде глюонов. Последняя стадия ливня, завершение процесса преобразования элементарных частиц, называется «конус смерти». Вой­дя в него, частица перестает излучать.

Существование этого эффекта было предсказано более 30 лет назад во время формирования первых принципов теории сильных ядерных взаимодействий. Но только недавно физики из коллаборации ALICE подтвердили его экспериментально. Они досконально изучили партонный ливень, соединив показания с разных датчиков. Источником ливня был очарованный кварк, и ученым удалось отследить все излученные им глюоны до момента входа в конус смерти.

Полученные результаты также указывают на наличие массы у очарованного кварка, поскольку, согласно теории, у частиц, не имеющих массы, конус смерти наблюдаться не может.