Ученые впервые обнаружили экзотические частицы "Х" в кварк-глюонной плазме

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 6 января 2023 г., 11:24:44 MSK
  • 0 комментариев
  • 33 просмотра
Физики обнаружили доказательства присутствия Х-частиц в кварк-глюонной плазме, образующейся на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНЕ, Европейской организации ядерных исследований, базирующейся недалеко от Женевы, Швейцария.

В первые миллионные доли секунды после Большого взрыва Вселенная представляла собой бурлящую плазму с температурой в триллион градусов, состоящую из кварков и глюонов - элементарных частиц, которые на короткое время слились воедино в бесчисленных комбинациях, прежде чем остыть и осесть в более стабильных конфигурациях, образуя нейтроны и протоны обычной материи.

В хаосе перед охлаждением часть этих кварков и глюонов случайно столкнулась, образовав короткоживущие частицы "X", названные так из-за их таинственной, неизвестной структуры. Сегодня Х-частицы чрезвычайно редки, хотя физики предположили, что они могут быть созданы в ускорителях частиц в результате слияния кварков, где высокоэнергетические столкновения могут генерировать подобные вспышки кварк-глюонной плазмы.

Теперь физики из Лаборатории ядерных наук Массачусетского технологического института и в других местах обнаружили доказательства присутствия Х-частиц в кварк-глюонной плазме, образующейся на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНЕ, Европейской организации ядерных исследований, базирующейся недалеко от Женевы, Швейцария.

Команда использовала методы машинного обучения, чтобы проанализировать более 13 миллиардов столкновений тяжелых ионов, каждое из которых породило десятки тысяч заряженных частиц. Среди этого супа из сверхплотных частиц высокой энергии исследователи смогли выделить около 100 частиц X типа, известного как X (3872), названного в честь предполагаемой массы частицы.

Результаты, опубликованные в Письма с физическим обзором, отмечают первый случай, когда исследователи обнаружили X-частицы в кварк-глюонной плазме - среде, которая, как они надеются, прольет свет на пока неизвестную структуру частиц.

"Это только начало истории", - говорит ведущий автор Йен-Цзе Ли, адъюнкт-профессор физики Массачусетского технологического института 1958 года выпуска. "Мы показали, что можем найти сигнал. В ближайшие несколько лет мы хотим использовать кварк-глюонную плазму для исследования внутренней структуры частицы X, что может изменить наше представление о том, какой материал должна производить Вселенная".

Соавторы исследования являются членами CMS Collaboration, международной группы ученых, которая управляет и собирает данные с компактного мюонного соленоида, одного из детекторов частиц на БАКЕ.

Частицы в плазме

Основными строительными блоками материи являются нейтрон и протон, каждый из которых состоит из трех тесно связанных кварков.

"В течение многих лет мы думали, что по какой-то причине природа решила создавать частицы, состоящие только из двух или трех кварков", - говорит Ли.

Только недавно физики начали замечать признаки экзотических "тетракварков" - частиц, состоящих из редкой комбинации четырех кварков. Ученые подозревают, что X (3872) является либо компактным тетракварком, либо совершенно новым видом молекулы, состоящей не из атомов, а из двух слабо связанных мезонов - субатомных частиц, которые сами состоят из двух кварков.

X (3872) был впервые обнаружен в 2003 году в ходе эксперимента Belle, коллайдера частиц в Японии, который сталкивает электроны и позитроны высокой энергии. Однако в этой среде редкие частицы распадались слишком быстро, чтобы ученые могли детально изучить их структуру. Была выдвинута гипотеза, что X (3872) и другие экзотические частицы могут быть лучше освещены в кварк-глюонной плазме.

"Теоретически говоря, в плазме так много кварков и глюонов, что производство X-частиц должно быть усилено", - говорит Ли. "Но люди думали, что их будет слишком трудно искать, потому что в этом кварковом супе образуется так много других частиц".

"Действительно сигнал"

В своем новом исследовании Ли и его коллеги искали признаки Х-частиц в кварк-глюонной плазме, генерируемой столкновениями тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере ЦЕРНА. Они основали свой анализ на наборе данных LHC за 2018 год, который включал более 13 миллиардов столкновений ионов свинца, каждое из которых высвобождало кварки и глюоны, которые рассеивались и сливались, образуя более квадриллиона короткоживущих частиц, прежде чем остыть и распасться.

"После того, как кварк-глюонная плазма образуется и остывает, образуется так много частиц, что фон становится подавляющим", - говорит Ли. "Поэтому нам пришлось уменьшить этот фон, чтобы в конечном итоге увидеть частицы X в наших данных".

Для этого команда использовала алгоритм машинного обучения, который они обучили выделять паттерны распада, характерные для X-частиц. Сразу же после образования частиц в кварк-глюонной плазме они быстро распадаются на "дочерние" частицы, которые рассеиваются. Для X-частиц этот паттерн распада, или угловое распределение, отличается от всех других частиц.

Исследователи, возглавляемые постдоком Массачусетского технологического института Цзин Вангом, определили ключевые переменные, которые описывают форму паттерна распада X-частиц. Они обучили алгоритм машинного обучения распознавать эти переменные, а затем передали алгоритму фактические данные из экспериментов по столкновению на БАКЕ. Алгоритм смог просеять чрезвычайно плотный и зашумленный набор данных, чтобы выделить ключевые переменные, которые, вероятно, были результатом распада X-частиц.

"Нам удалось снизить фон на порядки, чтобы увидеть сигнал", - говорит Ван.

Исследователи увеличили масштаб сигналов и наблюдали пик при определенной массе, указывающий на присутствие X (3872) частиц, всего около 100.

"Почти немыслимо, что мы можем выделить эти 100 частиц из этого огромного набора данных", - говорит Ли, который вместе с Вангом провел несколько проверок, чтобы подтвердить свои наблюдения.

"Каждую ночь я спрашивал себя, действительно ли это сигнал или нет?" Ван вспоминает. "И, в конце концов, данные сказали "да"!"

В ближайшие год или два исследователи планируют собрать гораздо больше данных, которые должны помочь прояснить структуру частицы X. Если частица представляет собой плотно связанный тетракварк, она должна распадаться медленнее, чем если бы это была слабо связанная молекула. Теперь, когда команда показала, что частицы X могут быть обнаружены в кварк-глюонной плазме, они планируют более детально исследовать эту частицу с помощью кварк-глюонной плазмы, чтобы определить структуру частицы X.

"В настоящее время наши данные согласуются с обоими, потому что у нас пока недостаточно статистики. В ближайшие несколько лет мы соберем гораздо больше данных, чтобы разделить эти два сценария", - говорит Ли. "Это расширит наше представление о типах частиц, которые в изобилии производились в ранней Вселенной".

Это исследование было частично поддержано Министерством энергетики США.

Комментарии

0 комментариев