На Большом адронном коллайдере обнаружены экзотические Х-частицы. Почему это важно?

Наша история началась с Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад. Согласно теории, за миллионные доли секунды после своего рождения Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц – глюонов и кварков. Затем за очень короткий промежуток времени эта плазма остыла, а из ее частиц образовались известные нам протоны и нейтроны. Компанию им составили различные нестабильные частицы неизвестной структуры – так называемые частицы Х, о существовании которых мир узнал в 2003 году. Тогда японский коллайдер Belle предоставил первые свидетельства существования X-частиц. Эти частицы, однако, распадались слишком быстро, так что изучить их структуру физикам не удалось. Теперь же ученые смогли воссоздать материю первых мгновений жизни Вселенной и наконец обнаружили загадочные частицы. Здорово, не так ли? Вот только плохо изученные частицы не вписываются в существующие модели формирования вещества.

«Частица Икс» с незапамятных времен обнаружена внутри Большого адронного коллайдера

Как проверить квантовую теорию?

Большой адронный коллайдер в ЦЕРН позволил исследователям проводить по-настоящему удивительные эксперименты, проверяя верна ли квантовая теория. Так, с помощью БАК был обнаружен знаменитый бозон Хиггса, а обнаружение предсказанных частиц Х стало настоящим прорывом.

В поисках таинственных частиц неизвестной структуры, физики из Массачусетского технологического института (MIT) создали в коллайдере кварк-глюонную плазму, сталкивая на огромной скорости ионы свинца. Эти столкновения породили десятки тысяч самых разных частиц. Но как среди них поймать Х-частицы, которые, только возникнув, мгновенно распадаются?

Постепенно возникли частицы и взаимодействия, образующие наш Мир.

Используя методы машинного обучения для анализа более 13 миллиардов столкновений тяжелых ионов, ученые смогли точно определить 100 частиц «X» – особого типа частиц под названием X (3872), названных в честь предполагаемой массы частицы. Каждое из этих 13 миллиардов столкновений, вероятно, породило десятки тысяч заряженных частиц.

С помощью программы, которая смогла просеять чрезвычайно плотный набор данных, ученым удалось выбрать ключевые переменные, которые, вероятно, были результатом распада X-частиц. Они увеличили масштаб сигналов и наблюдали пик при определенной массе, указывающий на их присутствие. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letter.

Таинственная частица откроет нам представление о самых ранних моментах существования Вселенной.

Результаты нового исследования позволят ученым заглянуть в самое сердце Большого взрыва. Кварк-глюонная плазма заполнила вселенную в первые миллионные доли секунды ее жизни, еще до того, как сформировалось то, что мы называем материей — молекулы, атомы или даже протоны или нейтроны, – объясняют физики.

Структура Х-частиц

Итак, при чрезвычайно высоких температурах — триллионы градусов — протоны, нейтроны и другие подобные им частицы распадаются и растворяются в высокоэнергетической суспензии кварков и глюонов (кварк-глюонная плазма). Один из методов, примененных физиками, стало столкновение тяжелых ионов: столкновение атомных ядер друг с другом на очень высоких скоростях.

Эксперименты на БАК заключались в том, чтобы разбивать тяжелые атомы свинца вместе, которые оставляли после себя следы информации в кварк-глюонной плазме – ее создание стало возможным только в XXI веке, однако обнаружить в ней что-либо чрезвычайно сложно.

Никто раньше не пытался обнаружить X-частицы (3872) при столкновениях тяжелых ионов, так как это очень сложная задача, – рассказали физики в пресс-релизе исследования.

Частица была создана внутри Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе.

Так как ядра атомов содержат скопления протонов и нейтронов, частицы на самом деле состоят из еще более крошечных частиц – кварков. Для образования более крупных частиц, кварки связываются с глюонами – еще более мелкими частицами, действующими как агенты малой ядерной силы.

Некоторые физики полагают, что X(3872) может быть частицей с четырьмя кварками: тетракваркоми. Типичные протоны и нейтроны состоят из трех кварков, но тетракварки странные, и обычно им требуются высокие энергии, чтобы оставаться вместе. В последнее десятилетие физики наблюдали другие примеры тетракварков в ускорителях частиц.

Частица была создана внутри Большого адронного коллайдера в ЦЕРН.

Не исключено также, что X-частицы (3872) на самом деле состоят из мезонов. Это еще один тип субатомных частиц, которые состоят из одного кварка и одного антикварка – двойника кварка из антивещества. Мезоны, в свою очередь, иногда могут мимолетом оказаться на Земле.

Это происходит, когда высокоэнергетические космические лучи сталкиваются с известной нам материей. Однако более крупной частицы, состоящей из множества мезонов, физики никогда не видели.

Как объясняют авторы научной работы, если X (3872) созданы из мезонов, то перед нами признак того, что Вселенная изобиловала такими «экзотическими» частицами сразу после своего рождения. «В ближайшие годы у нас будет больше данных, и мы узнаем, какие частицы производила Вселенная в самом начале своего пути», — отмечают исследователи.

Суперпозиция частиц-Х

По мнению ученых, которые не принимали участия в исследовании, частицы X(3872) могут и вовсе оказаться суперпозицией обычной пары очаровательных кварков или тетракварков, либо молекулами. К сожалению, экспериментальные неопределенности по-прежнему велики и не позволяют делать убедительные выводы сразу по нескольким причинам. Однако сам факт того, что физики смогли измерить состояние X (3872) при столкновении тяжелых ионов, является чрезвычайно важным открытием.

Явление при котором крошечные квантовые частицы находятся в двух местах одновременно, называется квантовой суперпозицией. Так как квантовая механика дисциплина сложная и мало понятная, речь в ней идет не о действиях, а состояниях. Например, когда электрон или фотон находится в суперпозиции, то делает все сразу, как бы накладываясь друг на друга будучи при этом и частицей и волной одновременно.

Теперь, определив сигнатуру X-частиц, физики могут определить ее внутреннюю структуру: протоны и нейтроны состоят из трех тесно связанных кварков, но исследователи считают, что частица X будет выглядеть совершенно иначе. По крайней мере, они знают, что новая частица содержит четыре кварка, но как они связаны сегодня неизвестно.

В будущем кварки и глюоны в плазме можно будет использовать, чтобы разбить частицу на части и посмотреть, что находится внутри.

Сейчас исследователи продолжают работу над сбором большего количества данных. «В ближайшие несколько лет мы соберем гораздо больше информации. Это расширит наше представление о типах частиц, которые в изобилии рождались в ранней Вселенной,» – отмечают физики.

Опубликовано на сайте: 2022-02-20