«Романтика» в Большом адронном коллайдере: зачем топ-кварки образуют пары

В ходе двух недавних экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) — CMS и ATLAS — физики зафиксировали неожиданное поведение самых массивных элементарных частиц — топ-кварков.

Сделанное учеными наблюдение может свидетельствовать о существовании ранее неуловимого состояния материи — так называемого «топония», временного квазисвязанного состояния топ-кварка и антикварка.

Топ-кварки являются уникальными элементарными частицами: они обладают наибольшей массой и живут столь недолго, что, в отличие от других кварков, обычно не успевают образовать связанное состояние — адрон. Тем не менее, согласно законам квантовой механики, если пара топ-кварк-антикварк рождается практически в покое относительно друг друга, они могут обмениваться глюонами — переносчиками сильного взаимодействия, — и формировать кратковременное связанное состояние. Ранее считалось, что такое поведение невозможно наблюдать в условиях протон-протонных столкновений на БАК из-за того, что события такого рода происходят чрезвычайно редко и анализировать их невероятно сложно.

Тем не менее, специалисты из CMS, анализируя данные 2016−2018 годов, обнаружили избыток топ-кварковых пар в области минимума энергии, необходимой для их рождения. Это неожиданное превышение стандартного фона подтолкнуло физиков к гипотезе образования топония — экзотического аналога давно известных семейств мезонов чармония и боттомония, состоящих из тяжелых кварков и их антиподов. С учетом этой гипотезы, CMS определил вероятность процесса на уровне 8,8 пикобарн с погрешностью около 1,3 — статистически значимый результат, с уровнем достоверности выше пяти сигма, что является порогом открытия в физике частиц.