Експеримент CMS побачив сліди народження топ-кварків у зіткненнях ультрарелятивістських ядер свинцю на Великому адронному колайдері зі статистичною точністю в 4. Раніше народження цієї найважчої елементарної частинки спостерігали тільки в протон-протонних і протон-ядерних зіткненнях. Очікується, що ядро-ядро топ-кварки, які народжуються в зіткненнях, допоможуть фізикам поспостерігати еволюцію кварк-глюонної плазми з плином часу і краще вивчити її властивості. Про отримані результати повідомляється в препринті статті, а нещодавно вона була прийнята до публікації в журналі.
Топ-кварк - кварк третього покоління, найважчий з шести кварків, а також в принципі найважча з відомих елементарних частинок. Вперше він був виявлений 25 років тому на Теватроні в Фермілабі в зіткненнях пар протон-антипротон, де в подальшому і були вивчені її основні властивості. Згідно з прогнозами Стандартної моделі час життя топ-кварка становить всього 5 ст.1 10-25 секунди, що на порядок менше характерного часу сильної взаємодії. Завдяки цій особливості він не адронізується (на відміну від усіх інших кварків), що робить його ідеальною часткою для вивчення матерії, в якій він утворюється.
На Великому адронному колайдері топ-кварк вже бачили в зіткненнях протон-протон і протон-ядро, проте ця частинка представляє особливий інтерес для фізиків у зіткненнях ядро-ядро. Саме в них вивчають кварк-глюонну плазму - стан сильнозабезпечуючої матерії, в якому кварки і глюони поводяться як вільні від конфайнменту квазічастинки, подібно електронам і іонам у звичайній плазмі. Передбачається, що всесвіт повністю складався з кварк-глюонної плазми на часових масштабах аж до мікросекунд після Великого вибуху, через що фізикам особливо важливо зрозуміти, як цей стан матерії еволюціонує з часом.
Вже існує ряд методів вивчення кварк-глюонної плазми, найдрібніші «краплі» якої народжуються в зіткненнях ультрарелятивістських ядер на коллайдерах. Наприклад, за нею спостерігають зменшення енергії джетів, що проходять крізь неї, - струмінь частинок, що народжуються в ході адронізації кварків і глюонів. Також за кварк-глюонною плазмою можна спостерігати з придушення народження кварконіїв, але обидва ці методи дають лише її усереднені за великим проміжком часу характеристики, адже час процесів, що відбуваються в них, можна порівняти з часом життя кварк-глюонної плазми. А час життя топ-кварку вкрай мало, тому по взаємодії продуктів його розпаду з кварк-глюонною плазмою в різні моменти її існування можна скласти більш повну картину її еволюції з плином часу. Про можливості такого методу раніше повідомлялося в теоретичному дослідженні одного з учених в ЦЕРН.
Саме це робить особливо важливим результат експерименту CMS, в рамках якого в зіткненнях ультрарелятивістських ядер свинцю при енергії 5,02 тераелектронвольт на нуклон-нуклонну пару фізики побачили сліди народження топ-кварків. Переріз народження вважали двома методами: у першому вчені спостерігали тільки за парами лептонів протилежного заряду (електронами і мюонами) в кінцевому стані, а в другому також враховували присутність у розпаді джетів від адронізації чарівного кварка. У першому випадку отриманий переріз склав 2,5 0,8 мікробарн, у другому - 2,0 0,7 мікробарн, що можна порівняти з передбаченнями квантової хромодинаміки і результатами експериментів з протон-протонними зіткненнями.
Важливо відзначити, що накопичені дані ще не досягли необхідної для підтвердження спостереження топ-кварка в зіткненнях ядро-ядро статистичної точності в 5: поки що вченим вдалося набрати статистику на 4. Проте ймовірність, що отриманий результат - лише статистична флуктуація, не перевищує 0,003 відсотка, а CMS розцінює цей результат як переконливу демонстрацію можливостей детектора з реєстрації топ-кварку. Фізики впевнені і в тому, що дані про народження цієї частинки в ядро-ядерних зіткненнях будуть використані для вивчення з її допомогою кварк-глюонної плазми.
Хоч зазвичай для отримання кварк-глюонної плазми використовують важкі ядра, вона також може народжуватися і в протон-протонних зіткненнях: на це вказав надлишок частинок з дивним кварком в експерименті ALICE. Про інші останні результати роботи Великого адронного коллайдера ми повідомляємо в темі «Другий сезон Коллайдера».