Поставлена «точка» в загадке t-кварка

Ученые, проводившие эксперименты CDF и DZero в Национальной ускорительной лаборатории Ферми Департамента энергетики США, объявили, что они нашли предсказанный способ рождения t-кварка, завершив портрет этой частицы, который создавался почти 20 лет.

Два коллектива совместно объявили, что они наблюдали один из самых редких способов рождения элементарной частицы при слабом ядерном взаимодействии – одиночного t-кварка – через так называемый s-канал (столкновения двух частиц с импульсами р1 и р2 с образованием промежуточного состояния и его последующего распада на две частицы с импульсами р3 и р4). Для этого анализа ученые из коллаборации CDF и DZero проанализировали данные более чем 500 триллионов протон-антипротонных столкновений в Тэватроне с 2001 по 2011 год. Они определили около 40 столкновений частиц, в которых в результате слабого взаимодействия рождались одиночные t-кварки в сочетании с одиночными b-кварками (bottom quark).

t-кварки являются самыми тяжелыми и среди наиболее загадочных элементарных частиц. Они весят даже больше, чем бозон Хиггса, – так же, как атомом золота – и наблюдались только на двух ускорителях: Тэватроне в лаборатории Ферми и Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Есть несколько способов для их рождения, как и предсказывает теория, известная как Стандартная модель. И наиболее распространенный оказался и первым, в котором он был обнаружен: столкновение, в котором сильное ядерное взаимодействие создает пару, состоящую из t-кварка и его античастицы.

Столкновения, которые приводят к рождению одиночного t-кварка посредством слабого взаимодействия, реже, и процесс обработки данных, полученных в экспериментах на Тэватроне, является самым сложным для обнаружения t-кварка. Слабое взаимодействие, в результате которого рождается одиночный t-кварк, является одним из самых редких взаимодействий, допускаемых законами физики. Обнаружение этого процесса было одной из конечных целей экспериментов на Тэватроне, который в течение 25 лет был самым мощным коллайдером частиц в мире.

«Это важное открытие, которое обеспечивает ценное дополнение к картине Стандартной модели, - сказал Джеймс Сигрист (James Siegrist), заместитель директора по науке по физике высоких энергий Министерства энергетики. – Оно завершает портрет одной из фундаментальных частиц нашей Вселенной, демонстрируя нам один из самых редких способов их рождения».

Поиск одиночных t-кварков подобен поиску иголки в миллиардах стогов сена. Только одно из каждых 50 млрд. столкновений на Тэватроне рождает одиночный t-кварк по s-каналу, и коллаборация CDF и DZero выбрала только малую часть из них, чтобы отделить их от фона, который является причиной того, что число наблюдаемых событий для этого конкретного канала настолько мало. Однако статистическая значимость данных CDF и DZero превышает необходимую, чтобы объявить об открытии.

«Коллаборация CDF и DZero получила высокую оценку за их работу по обнаружению этого процесса, - сказал Сол Гонсалес (Saul Gonzalez), директор программы Национального научного фонда. - Исследователи из разных стран мира, в том числе десятки университетов в Соединенных Штатах, внесли вклад в это важное открытие».

Эксперименты CDF и DZero впервые наблюдали столкновения частиц, которые рождали одиночные t-кварки через другой процесс слабого взаимодействия в 2009 г. Это наблюдение было позже подтверждено учеными с использованием Большого адронного коллайдера.

Ученые из 27 стран сотрудничают в экспериментах CDF и DZero и продолжают изучать массивы данных, полученных во время работы коллайдера, используя все более изощренные приемы и методы вычислений.

Эта диаграмма показывает процесс рождения одиночного t-кварка через s-канал. Кварк из входящего протона взаимодействует в Тэватроне с антикварком от входящего антипротона, образуя W-бозон с гораздо большей массой. Этот W-бозон затем распадается на t-кварк и анти-b-кварк, что можно увидеть в детекторах CDF и DZero

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365