Таинственные частицы X впервые замечены в "первичном бульоне" самого большого коллайдера
Физикам удалось обнаружить загадочные частицы с неизвестной структурой с помощью искусственного интеллекта.
В первые миллионные доли секунды после Большого взрыва Вселенная представляла собой бурлящую плазму, состоящую из триллионов кварков и глюонов — элементарных частиц, на короткое время слившихся в бесчисленных комбинациях.
В дальнейшем они остыли и приняли более стабильные конфигурации, став частью нейтронов и протонов, из которых состоит обычное вещество.
В хаосе, предшествовавшем остыванию, часть этих кварков и глюонов случайным образом сталкивалась, образуя короткоживущие частицы "X", названные так из-за их таинственной, неизвестной учёным структуры.
Сегодня X-частицы можно встретить чрезвычайно редко, хотя учёные предполагают, что они могут быть созданы в ускорителях частиц в результате слияния кварков. Дело в том, что высокоэнергетические столкновения частиц могут генерировать кварк-глюонную плазму.
Недавно физики обнаружили доказательства присутствия X-частиц в кварк-глюонной плазме, производимой на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, расположенном неподалёку от Женевы в Швейцарии.
Из этого сверхплотного "супа" из частиц высокой энергии исследователи смогли выделить около сотни частиц X определённого типа, известного как X (3872), где число в скобках — расчётное значение массы частицы.
Для этого учёным пришлось просеять сквозь сито искусственного интеллекта результаты миллиардов столкновений тяжёлых ионов (в 2018 году было проведено порядка 13 миллиардов столкновений ядер атомов свинца).
"Это только начало истории, – говорит ведущий автор новой работы Ен-Цзе Ли (Yen-Jie Lee) из Массачусетского технологического института (MIT). – Мы показали, что можем найти сигнал. В ближайшие несколько лет мы хотим использовать кварк-глюонную плазму для исследования внутренней структуры Х-частицы, что может изменить наше представление о том, какое вещество должна создавать Вселенная".
Уже 59 штук: на БАКе снова открыли экзотические частицы читайте также
Напомним, что основными строительными кирпичиками ядер всех химических элементов являются нейтрон и протон, каждый из которых состоит из трёх тесно связанных кварков.
В течение многих лет учёные думали, что в природе существуют частицы, состоящие только из двух или трёх кварков.
Лишь недавно физики начали замечать признаки существования экзотических "тетракварков" — частиц, состоящих из редкой комбинации четырёх кварков.
Учёные подозревают, что X (3872) — это либо компактный тетракварк, либо совершенно новый тип молекулы, состоящей не из атомов, а из двух слабо связанных мезонов — субатомных частиц, которые сами состоят из двух кварков.
X (3872) была впервые обнаружена в 2003 году в рамках эксперимента Belle, который проводился на электрон-позитронном коллайдере KEKB в Японии.
Однако в этой среде редкие частицы распадались слишком быстро, чтобы учёные могли детально изучить их структуру. Исследователи высказали предположение, что X (3872) и другие экзотические частицы будет легче обнаружить в кварк-глюонной плазме.
На этот раз они основывали свой анализ на наборе данных БАК за 2018 год, который включал более 13 миллиардов столкновений ионов свинца, каждое из которых высвобождало кварки и глюоны, рассеивающиеся, сливающиеся и образующие более квадриллиона короткоживущих частиц!
Чтобы выявить нужные столкновения в такой массе фоновых процессов, команда использовала алгоритм машинного обучения, который они научили выделять характерные для X-частиц закономерности дальнейшего их распада.
Проблема в том, что сразу после образования загадочных частиц в кварк-глюонной плазме они быстро распадаются на "дочерние" частицы. Для частиц X эта картина распада (или угловое распределение) отличается от всех других частиц.
Редкие распады частиц могут стать окном в новую физику читайте также
Исследователи определили ключевые отклонения, которые описывают характерную картину распада X-частиц. Затем они обучили алгоритм машинного обучения распознавать эти отклонения, а после предоставили алгоритму фактические данные из экспериментов по столкновению на БАК.
Алгоритм просеял чрезвычайно плотный и зашумлённый набор данных, чтобы найти ключевые переменные, которые могли указывать на распад X-частиц.
Когда исследователи снизили фон на несколько порядков, то есть фактически усилили соответствующие сигналы. В итоге они наблюдали на графиках пики, соответствующие определённым массам. Это указывало на присутствие частиц X (3872). Всего их было выявлено около сотни.
"Почти немыслимо, что мы смогли выделить эти 100 частиц из этого огромного набора данных", – говорит Ли.
"Каждую ночь я спрашивал себя, действительно ли это сигнал или нет? – вспоминает соавтор исследования Цзин Ван (Jing Wang) из MIT. – И, в конце концов, данные сказали "да"!"
Теперь, когда исследовательская группа показала, что частицы X могут быть обнаружены в кварк-глюонной плазме, они планируют продолжить исследования этих частиц с её помощью.
В ближайшие два года исследователи хотят собрать гораздо больше данных, которые должны помочь определить структуру X-частиц.
Если частица представляет собой тетракварк, она должна распадаться медленнее, чем если бы это была молекула со слабыми связями.
Исследование было опубликовано в открытом доступе в издании Physical Review Letters.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".