Как сообщается на сайте Немецкого электрон-синхротрона DESY, на Большом Адронном колайдере (LHC) обнаружен редкий распад четырех верхних кварков. Также о том, что коллаборации CMS и ATLAS на LHC обнаружили доказательства нового способа производства топ-кварков сообщается в статье на сайте ЦЕРН.

Топ-кварки, которые образуются примерно один раз на 100 миллионов столкновений на LHC в ЦЕРНе, могут быть созданы разными способами. Наиболее распространены пары топ-кварк-антикварк, но специалисты в физике элементарных частиц также наблюдали одиночные топ-кварки, которые стоят поодиночке. Даже четыре таких кварка сразу могут родиться при столкновении, где рождаются два топ-кварка и два топ-антикварка. Однако это случается не часто. Ученые ожидают, что на каждое столкновение, создающее четыре топ-кварка, приходится 4000 столкновений, в результате которых образуются частицы Хиггса, которые также известны своей редкостью. Согласно теории Стандартной модели, четыре топ-кварка, состоящие из двух пар топ-кварк-антикварк, могут рождаться одновременно. Однако прогнозируется, что скорость образования будет в 70 тысяч раз ниже, чем у пар топ-кварк-антикварк, что делает образование четырех топ-кварков неуловимым. Доказательства этого явления ранее были обнаружены ATLAS в 2020 и 2021 годах и CMS в 2022 году. Однако до сегодняшнего дня наблюдений не было.

Чрезвычайно большая масса топ-кварка означает, что он очень близок к бозону Хиггса. Это означает, что образование топ-кварков интересно не только потому, что они редки, но и потому, что влияние бозона Хиггса может изменить частоту рождения четырех кварков и их поведение. И то же самое верно для многих гипотетических, неоткрытых частиц и взаимодействий, а это означает, что образование четырех топ-кварков дает намеки на физику за пределами Стандартной модели. Топ-кварк — самая тяжелая частица в Стандартной модели, а это означает, что это частица с самыми сильными связями с бозоном Хиггса. Это делает топ-кварки идеальными для поиска признаков физики за пределами Стандартной модели.

Известно, что рождение четырех высших кварков встречается редко, но их трудно обнаружить. Когда физики ищут конкретное событие, они ищут его «подпись»: свойства конечных частиц распада. Они дают подсказки к краткосрочным событиям, которые они ищут. Каждый верхний кварк распадается на W-бозон и нижний кварк. Затем W-бозон может распасться либо на заряженный лептон и нейтрино, либо на пару кварк-антикварк. Это означает, что сигнатура событий с четырьмя топ-кварками может сильно варьироваться, включая от нуля до четырех заряженных лептонов и до 12 струй, создаваемых кварками. Это затрудняет поиск сигнатуры рождения четырех верхних кварков.

Чтобы помочь в поиске этих событий, и ATLAS, и CMS использовали новые методы машинного обучения для создания алгоритмов, которые выбирают события-кандидаты с четырьмя высшими кварками. В анализе используется впечатляющая сигнатура четырех верхних кварков с несколькими электронами, мюонами и струями (помеченными нижними кварками), чтобы отделить события с четырьмя верхними кварками от фона из-за других процессов Стандартной модели с более высокими скоростями образования. И ATLAS, и CMS искали сигнатуры событий, содержащие два или более лептона.

Первое прямое наблюдение образования четырех топ-кварков — новый захватывающий шаг в изучении этой очаровательной частицы. Оба эксперимента рассчитывают продолжить изучение этого явления во время запуска LHC Run 3.

Все дальнейшие подробности см. в оригинальных статьях, указанных выше.