Новое исследование эксперимента CMS (Компактный мюонный соленоид) на Большом адронном коллайдере (LHC) подтвердило существование топония — редкого связанного состояния, образованного топ-кварком и антикварком. Этот объект считается самым массивным композитным состоянием, когда-либо наблюдавшимся, и завершает семейство состояний кварк–антикварк, связанных сильным ядерным взаимодействием.

Топ-кварк, самая тяжёлая и крайне нестабильная элементарная частица, долгое время считался неспособным формировать связанные состояния из-за чрезвычайно короткого времени жизни. Однако новые данные CMS, представленные на конференции Rencontres de Moriond по физике высоких энергий, усиливают наблюдения прошлого года, указывающие на кратковременное объединение топ-кварков с антикварками.

Большая часть материи вокруг нас состоит из атомов, в которых электроны удерживаются на орбитах вокруг протонов электромагнитным взаимодействием. Протоны и нейтроны сами являются композитными частицами — адронами, в которых кварки связаны сильным ядерным взаимодействием. Наиболее простыми являются пары кварк–антикварк, которые предоставляют чистую модель для изучения работы сильной силы. До недавнего времени такие состояния наблюдались для всех типов кварков, кроме топ-кварка.

Топ-кварк был впервые открыт более 30 лет назад на ускорителе Tevatron под Чикаго. С тех пор его свойства изучались в экспериментах LHC, включая измерения квантовой запутанности между топ-кварками и антикварками. Обычно топ-кварк распадается быстрее, чем может образоваться связанное состояние, но сотни миллионов пар топ-кварк–антикварк, производимые на LHC, создали достаточно большой объём данных для обнаружения редчайших явлений.

Первые признаки топония появились при поиске тяжёлых частиц, подобных бозону Хиггса, способных распадаться на топ-кварк–антикварк. Был зафиксирован неожиданный избыток событий с массой, близкой к удвоенной массе топ-кварка (~2 × 173 ГэВ/с²), что характерно для связанного состояния, а не нового фундаментального объекта. Детальные анализы CMS и эксперимента ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) подтвердили этот избыток в событиях, где оба топ-кварка распадались на лептоны — электроны или мюоны.

Новое исследование CMS использовало иной подход, изучая события, где один топ-кварк распадается на нижний кварк, заряженный лептон и нейтрино, а другой — на кварки, формирующие джеты частиц. «Выделение сигнала в этом канале распада было крайне сложным», — отмечает Отто Хиндрихс из Университета Рочестера (США), разработавший новую методику реконструкции столкновений с использованием методов искусственного интеллекта.

Вместо прямого восстановления массы пары топ-кварк–антикварк мы анализировали их относительную скорость. Если формируется связанное состояние, то относительная скорость частиц должна быть значительно меньше, чем при их независимом рождении

поясняет аспирант Ю-Хэн Ю

Эти методы оказались высокоэффективными. Зафиксированный избыток событий превысил 5 сигма — общепринятый критерий открытия. Результат обеспечивает независимое статистическое подтверждение существования топония.

«Топоний тяжелее самого массивного известного атомного ядра — оганессона (Z=118), что делает его самым массивным наблюдаемым связанным состоянием. Его открытие углубляет понимание сильного ядерного взаимодействия и способности связывать фундаментальные составляющие материи», — резюмирует Регина Демина, руководитель группы CMS в Университете Рочестера.