Физики впервые обнаружили таинственные частицы X в кварк-глюонной плазме

Таинственная частица, которая, как считалось, существовала некоторое время сразу после Большого Взрыва, впервые обнаружена в «изначальном бульоне».

В частности, в среде, называемой кварк-глюонной плазмой, генерируемой в Большом адронном коллайдере сталкивающимися ионами свинца. Там, среди триллионов частиц, образовавшихся в результате этих столкновений, физикам удалось выделить 100 экзотических пылинок, известных как Х-частицы.

«Это только начало истории», — говорит физик Йен-Джи Ли из Массачусетского технологического института и член международного сотрудничества CMS со штаб-квартирой в ЦЕРН в Швейцарии.

«Мы показали, что можем найти сигнал. В ближайшие несколько лет мы хотим использовать кварк-глюонную плазму для исследования внутренней структуры X-частицы, что может изменить наше представление о том, какой материал должна производить Вселенная».

Всего через несколько мгновений после Большого Взрыва очень молодая Вселенная не состояла из того материала, который мы видим сегодня. Вместо этого на несколько миллионных долей секунды она была заполнен перегретой до триллионов градусов плазмой, состоящей из элементарных частиц, называемых кварками и глюонами. Это кварк-глюонная плазма.

За меньшее время, чем требуется, чтобы моргнуть, плазма остыла, и частицы объединились, чтобы сформировать протоны и нейтроны, из которых сегодня состоит нормальная материя. Но за этот очень короткий отрезок времени частицы кварк-глюонной плазмы столкнулись, слиплись и снова разошлись в разных конфигурациях.

Одна из конфигураций — настолько загадочная частица, что мы даже не знаем, как она устроена. Это частица X, и ее очень редко и ненадолго видели в коллайдерах частиц — слишком недолго, чтобы ее можно было исследовать.

Теоретически, частицы X могут появиться в очень малых вспышках кварк-глюонной плазмы, которые физики уже несколько лет создают на ускорителях частиц. И это может дать лучшую возможность понять их.

Во время запуска Большого адронного коллайдера в 2018 году положительно заряженные атомы свинца столкнулись друг с другом на высокой скорости. Каждое из этих примерно 13 миллиардов столкновений породило поток из десятков тысяч частиц. Это пугающе колоссальный объем данных для изучения.

Хотя частицы X очень недолговечны, при распаде они производят поток частиц с меньшей массой. Чтобы упростить процесс анализа данных, команда разработала алгоритм для распознавания закономерностей, характерных для распада X-частиц. Затем они загрузили данные БАК за 2018 год в свое программное обеспечение.

Алгоритм идентифицировал сигнал определенной массы, что указывало на присутствие в данных около 100 X частиц. Это отличное начало.

«Почти немыслимо, что мы можем выделить эти 100 частиц из этого огромного набора данных», — сказал Ли.

На данный момент данных недостаточно, чтобы узнать больше о структуре X-частицы, но открытие может приблизить нас. Теперь, когда мы знаем, как найти сигнатуру X-частицы, ее обнаружение в будущих наборах данных должно быть намного проще. В свою очередь, чем больше данных у нас будет, тем легче будет их изучить.

Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Физики считают, что Х-частицы могут состоять из четырех частиц — либо из тесно связанных частиц, известных как тетракварки, либо из нового типа слабо связанных частиц, состоящих из двух мезонов, каждый из которых содержит по два кварка.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.