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, пишет сайт hi-news.ru.

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.

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?

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.

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.

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.

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.

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.

Этот эксперимент будет пополнен и другими данными благодаря работе космического телескопа Джеймс Уэбб. Этот новейший астрономический инструмент способен заглянуть внутрь Большого взрыва. Так или иначе, нам с вами впору готовиться к величайшим открытиям, способным объяснить сложную структуру Вселенной.