Коллаборация CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе зафиксировала неожиданный избыток пар топ-кварк-антикварк (tt-bar) при анализе данных протон-протонных столкновений, собранных в период с 2016 по 2018 год. Аномалия проявилась специфически на минимальной энергии, необходимой для рождения такой пары частиц – так называемом пороге рождения tt-bar.
Статистическая значимость наблюдаемого избытка достигла уровня «пять сигма» (5σ). В физике элементарных частиц это общепринятый порог для заявления об «наблюдении» нового явления, что делает крайне маловероятным объяснение результата случайной статистической флуктуацией.
Основная гипотеза, выдвинутая для объяснения аномалии, предполагает существование новой составной частицы – «топония». Это короткоживущее связанное состояние топ-кварка и топ-антикварка. О результатах было доложено на конференции Rencontres de Moriond в Итальянских Альпах на этой неделе.
Теоретической основой для гипотезы о топонии служит квантовая хромодинамика (КХД). Эта теория предсказывает усиление вероятности рождения связанных состояний вблизи порога рождения пар tt-bar, даже если стабильные состояния не образуются. В случае подтверждения, топоний станет последним открытым представителем семейства «кваркониев».
Благодаря огромной массе топ-кварка, который в 184 раза тяжелее протона, топоний, вероятно, окажется самым маленьким из известных адронов (частиц, состоящих из кварков). Его размер будет значительно меньше размера боттомония, который составляет около 0,4 фемтометра (фм, одна миллионная нанометра).
Топоний обладает уникальным механизмом распада. В отличие от других кваркониев, его распад инициируется не взаимной аннигиляцией кварка и антикварка, а спонтанным распадом одного из составляющих его топ-кварков (на b-кварк и W-бозон). Это происходит чрезвычайно быстро – за время, которое свет проходит расстояние в 0,1 фм. Сечение рождения топония, согласно упрощенной модели, оценено в 8,8 пикобарн (пб) с погрешностью около 15%.
Открытие топония завершит ряд открытий тяжелых кваркониев. Первым был шармоний (связанное состояние c-кварка и антикварка, размер ~0,6 фм), обнаруженный одновременно в Стэнфордской национальной ускорительной лаборатории (Калифорния) и Брукхейвенской национальной лаборатории (Нью-Йорк) в 1974 году, что вошло в историю как «Ноябрьская революция» в физике частиц. Затем, в 1977 году, в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Иллинойс) был открыт боттомоний (b-кварк и антикварк, размер ~0,4 фм), считавшийся до сих пор самым маленьким адроном.
Однако наблюдаемый избыток пар tt-bar может иметь и другие объяснения, которые пока не исключены. Исследователи CMS изначально искали новые типы бозонов Хиггса, когда наткнулись на эту аномалию.
Расширения Стандартной модели физики элементарных частиц, которой уже 50 лет, предсказывают существование дополнительных хиггсоподобных частиц. Предполагается, что такие частицы должны сильно взаимодействовать с массивным топ-кварком и, если их масса достаточно велика, распадаться на пары tt-bar, что также могло бы привести к наблюдаемому избытку.
Поиск явлений за рамками Стандартной модели мотивирован наличием открытых вопросов, таких как природа темной материи. Измерение характеристик рождения tt-bar пар является одним из способов проверки предсказаний существующей теории и поиска признаков новой физики. Топ-кварк, будучи самой тяжелой и самой короткоживущей элементарной частицей, играет ключевую роль в этих поисках.
Результат, опубликованный на сервере препринтов arXiv, требует тщательной проверки и независимого подтверждения. Ключевую роль в этом процессе играет эксперимент ATLAS – сестринский эксперимент CMS на LHC. В настоящее время обе коллаборации тесно сотрудничают для детального изучения наблюдаемого эффекта, и вопрос о его природе остается открытым.
Статистическая значимость наблюдаемого избытка достигла уровня «пять сигма» (5σ). В физике элементарных частиц это общепринятый порог для заявления об «наблюдении» нового явления, что делает крайне маловероятным объяснение результата случайной статистической флуктуацией.
Основная гипотеза, выдвинутая для объяснения аномалии, предполагает существование новой составной частицы – «топония». Это короткоживущее связанное состояние топ-кварка и топ-антикварка. О результатах было доложено на конференции Rencontres de Moriond в Итальянских Альпах на этой неделе.
Теоретической основой для гипотезы о топонии служит квантовая хромодинамика (КХД). Эта теория предсказывает усиление вероятности рождения связанных состояний вблизи порога рождения пар tt-bar, даже если стабильные состояния не образуются. В случае подтверждения, топоний станет последним открытым представителем семейства «кваркониев».
Благодаря огромной массе топ-кварка, который в 184 раза тяжелее протона, топоний, вероятно, окажется самым маленьким из известных адронов (частиц, состоящих из кварков). Его размер будет значительно меньше размера боттомония, который составляет около 0,4 фемтометра (фм, одна миллионная нанометра).
Топоний обладает уникальным механизмом распада. В отличие от других кваркониев, его распад инициируется не взаимной аннигиляцией кварка и антикварка, а спонтанным распадом одного из составляющих его топ-кварков (на b-кварк и W-бозон). Это происходит чрезвычайно быстро – за время, которое свет проходит расстояние в 0,1 фм. Сечение рождения топония, согласно упрощенной модели, оценено в 8,8 пикобарн (пб) с погрешностью около 15%.
Открытие топония завершит ряд открытий тяжелых кваркониев. Первым был шармоний (связанное состояние c-кварка и антикварка, размер ~0,6 фм), обнаруженный одновременно в Стэнфордской национальной ускорительной лаборатории (Калифорния) и Брукхейвенской национальной лаборатории (Нью-Йорк) в 1974 году, что вошло в историю как «Ноябрьская революция» в физике частиц. Затем, в 1977 году, в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Иллинойс) был открыт боттомоний (b-кварк и антикварк, размер ~0,4 фм), считавшийся до сих пор самым маленьким адроном.
Однако наблюдаемый избыток пар tt-bar может иметь и другие объяснения, которые пока не исключены. Исследователи CMS изначально искали новые типы бозонов Хиггса, когда наткнулись на эту аномалию.
Расширения Стандартной модели физики элементарных частиц, которой уже 50 лет, предсказывают существование дополнительных хиггсоподобных частиц. Предполагается, что такие частицы должны сильно взаимодействовать с массивным топ-кварком и, если их масса достаточно велика, распадаться на пары tt-bar, что также могло бы привести к наблюдаемому избытку.
Поиск явлений за рамками Стандартной модели мотивирован наличием открытых вопросов, таких как природа темной материи. Измерение характеристик рождения tt-bar пар является одним из способов проверки предсказаний существующей теории и поиска признаков новой физики. Топ-кварк, будучи самой тяжелой и самой короткоживущей элементарной частицей, играет ключевую роль в этих поисках.
Результат, опубликованный на сервере препринтов arXiv, требует тщательной проверки и независимого подтверждения. Ключевую роль в этом процессе играет эксперимент ATLAS – сестринский эксперимент CMS на LHC. В настоящее время обе коллаборации тесно сотрудничают для детального изучения наблюдаемого эффекта, и вопрос о его природе остается открытым.