Коллаборация CMS (Компактный мюонный соленоид) на Большом адронном коллайдере впервые провела исследование, проверяющее соответствие поведения топ-кварков специальной теории относительности Эйнштейна. Результаты исследования подтверждают фундаментальный принцип Лоренцевой симметрии.

Специальная теория относительности, наряду с квантовой механикой, является краеугольным камнем Стандартной модели физики элементарных частиц. В её основе лежит концепция Лоренцевой симметрии, согласно которой результаты экспериментов не зависят от ориентации или скорости проведения эксперимента.

Некоторые теоретические модели, включая определённые варианты теории струн, предсказывают, что при очень высоких энергиях специальная теория относительности может нарушаться, и результаты экспериментов начнут зависеть от их ориентации в пространстве-времени. Следы такого нарушения Лоренцевой симметрии теоретически могли бы наблюдаться даже при более низких энергиях, достижимых на БАК.

В ходе исследования учёные анализировали поведение пар топ-кварков – самых массивных из известных элементарных частиц. Если бы существовало нарушение Лоренцевой симметрии, то скорость образования пар топ-кварков в протон-протонных столкновениях менялась бы в зависимости от времени суток, поскольку Земля вращается вокруг своей оси, меняя ориентацию пучков протонов и направление вылета топ-кварков относительно гипотетического «предпочтительного» направления в пространстве-времени.

Анализ данных, собранных во время второго сеанса работы БАК, показал постоянную скорость образования пар топ-кварков, что подтверждает сохранение Лоренцевой симметрии и валидность специальной теории относительности. Полученные результаты позволили установить новые, более жёсткие ограничения на параметры возможного нарушения симметрии, улучшив предыдущие измерения, выполненные на коллайдере Теватрон, в 100 раз.

Это исследование открывает путь для дальнейших поисков возможных нарушений Лоренцевой симметрии с использованием данных третьего сеанса работы БАК, а также для изучения процессов с участием других тяжёлых частиц, таких как бозон Хиггса и W- и Z-бозоны.