Специалисты CERN сообщили о данных, которые могут указывать на существование необычной формы материи – возможно, самой маленькой из когда-либо обнаруженных. Речь идет о так называемом топониуме, частице, которую долгое время считали практически невозможной для обнаружения из-за ее чрезвычайно короткого времени жизни и компактности. Данные, собранные в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере, показали признаки образования этой загадочной частицы, что стало неожиданностью для исследователей и может изменить подходы к изучению мира элементарных частиц.
В ходе презентации на научной конференции в Италии участники коллаборации CMS рассказали о зафиксированном ими необычном сигнале. Согласно их наблюдениям, топ-кварки, которые обычно не образуют связей из-за своего быстрого распада, могли на короткий момент сформировать пару с антикварками. Такое состояние называют топониумом, и раньше подобное практически не встречалось в экспериментах на ускорителях. Ученые подчеркивают, что окончательные выводы можно будет сделать только после дополнительного анализа данных и сопоставления с результатами еще одного крупного эксперимента ATLAS.
На ускорителе LHC столкновения протонов при большой энергии регулярно приводят к появлению пар топ-кварков и античастиц, а измерение частоты таких событий считается ключевым тестом для стандартной модели физики. Эти эксперименты также позволяют искать новые, пока неизвестные частицы, которые не появлялись раньше из-за своей большой массы. Главная задача ученых – проверить, не скрывается ли за такими событиями новая физика, выходящая за рамки стандартной модели.
Изначально исследователи из CMS анализировали массив данных за 2016–2018 годы, чтобы выявить возможные следы новых типов бозонов Хиггса. Однако при изучении этих данных они заметили неожиданное превышение числа пар топ-кварков, появившихся как раз на энергетическом пороге, необходимом для их образования. Эта закономерность заставила ученых предположить, что наблюдаемый эффект может быть связан с формированием топониума.
Теоретические расчеты в области квантовой хромодинамики предсказывают усиление вероятности появления связанных состояний топ-кварков при определенных условиях. Тем не менее, полностью исключить другие возможные объяснения, например появление нового бозона, пока нельзя. Согласно расчетам, полученная величина для вероятности образования топониума составляет 8,8 пикобарн с погрешностью в 15%, что соответствует уровню статистической значимости, принятому в физике частиц.
Если результат подтвердится, топониум станет завершающей частицей в ряду кваркониев – нестабильных состояний, состоящих из пары тяжелых кварков и антикварков. До этого физике были известны чармоний и боттомоний, которые открывали в 1970-х годах в разных лабораториях США. Размер боттомония до сих пор считался минимальным среди известных адронов, но из-за большой массы топ-кварков предполагается, что топониум будет еще меньше.
Долгое время считалось, что обнаружить топониум на коллайдере невозможно, поскольку время жизни топ-кварка слишком мало – он распадается за время, за которое свет проходит лишь десятую долю фемтометра. В случае подтверждения открытия топониум станет уникальным явлением, ведь его распад происходит не за счет аннигиляции кварка и антикварка, а по причине распада одной из составляющих частиц.