Почему же физики возились с рождением топ-кварков в соударениях тяжелых ионов? Такие процессы оказалась отличным тренировочным полигоном для отработки экспериментальных методов работы с тяжелыми частицами и высокоэнергетическими процессами. Никто и никогда до этого момента не имел возможности изучать процессы с настолько большими энергиями, и такая работа просто необходима в преддверии старта программы по исследованию кварк-глюонной плазмы и распределения глюонов внутри атомных ядер. Обе эти проблемы представляют большой интерес для фундаментальной науки. Кварк-глюонная плазма по представлениям ученых в свободном состоянии существовала только в течение первой секунды после рождения Вселенной, когда средняя плотность энергии в пространстве была колоссальной. Поэтому ее изучение позволит немного приоткрыть тайны формирования окружающей нас действительности. Данные по распределению глюонов внутри атомных ядер должны дать ответ на многие вопросы ядерной физики, например, помочь разобраться с тем, как атомные ядра формируются, почему какие-то из них стабильны, а другие нет. И для всего этого нужно уметь сталкивать тяжелые ионы с достаточной энергией и правильно собирать информацию, чего до последнего времени делать не умели. И сейчас, в общем-то, не умеют. Но активно учатся, исследуя топ-кварк и попутно оценивая эффективность экспериментальной установки, качество обработки данных, сравнивая с уже полученными на Тэватроне результатами и теоретическими предсказаниями.
Полноценные исследования, как плазмы, так и распределения глюонов, требуют организовывать разные типы столкновений: симметричные, когда соударяются тяжелые ионы, и асимметричные, когда встречаются пучки из ионов и протонов. И то, и другое можно осуществить на БАК. В 2015 году в ходе второго сеанса исследований (так называемый Run 2) удалось столкнуть ионы так, что на каждую пару нуклонов приходилась общая энергия в 5,02 ТэВ. Это был хороший результат, но светимость еще была недостаточной для полноценного исследования топ-кварков, не говоря уже о кварк-глюонной плазме. Настолько недостаточной, что набранных за месяц работы данных оказалось недостаточно, чтобы с уверенностью утверждать об образовании топ-кварков в соударениях ионов. В течение следующих трех лет массив данных был расширен в четыре раза за счет серии экспериментов с ионами и протонов, но и этого оказалось мало для однозначных выводов.
Прорыв наступил, когда ученые начали использовать новую стратегию поиска топ-кварка, основанную на его свойствах. Из-за своей большой массы топ-кварк живет очень недолго и просто не успевает долететь до детектора. Но при этом топ-кварк практически всегда распадается на более легкий и долгоживущий b-кварк и W-бозон, а еще в 9% случаев при распаде рождаются легкие лептоны, электрон или мюон, и соответствующее нейтрино. И вот все эти частицы живут достаточно долго, чтобы успеть долететь до детектора. Поэтому в новом подходе к поиску топ-кварка ученые начали отслеживать легко идентифицируемые b-кварки и лептоны, одновременное появление которых в детекторе означает рождение топ-кварка в процессе соударения ионов. Причем техника поиска посредством обнаружения лептонов была применена впервые в мире.
Конечно же, просто так вычленить из общего массива данных искомые b-кварки с лептонами было совсем непросто, что потребовало создания новых алгоритмов обработки информации с привлечением нейросетей и методов машинного обучения.
О перспективах этого эксперимента читайте в СЛЕДУЮЩЕЙ ЧАСТИ.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.
