Пара топ-кварків була зафіксована в уламках, що утворилися в результаті зіткнення двох атомів свинцю.
Це перший випадок, коли ця конкретна пара кварк-антикварк була помічена у зіткненні між двома ядрами. Відкриття підтверджує, що всі шість типів кварків існували на зорі Всесвіту, в супі кварк-глюонної плазми, яка, ймовірно, наповнювала космос у моменти після Великого вибуху.
Це означає, що ми на крок ближче до нових вимірювань цього первісного стану матерії, що допоможе глибше зрозуміти процеси формування Всесвіту.
Що таке кварк-глюонна плазма?
Кварк-глюонна плазма – це стан матерії, коли елементарні кварки та глюони, які зазвичай утримуються всередині протонів і нейтронів, вивільняються й утворюють «суп», що взаємодіє між собою за надзвичайно високих енергетичних умов.
Головна проблема дослідження цього стану полягає в тому, що кварки розпадаються надзвичайно швидко – за крихітну частку секунди. Кварк-глюонна плазма, що виникла після Великого вибуху, існувала лише кілька мільйонних часток секунди, перш ніж частинки почали об’єднуватися у звичайну матерію – цей процес називається адронізацією.
Щоб вивчити кварк-глюонну плазму, фізики використовують прискорювачі частинок, такі як Великий адронний колайдер, де важкі частинки стикаються між собою, створюючи каскад нових частинок, які проходять через фазу кварк-глюонної плазми перед формуванням звичайної матерії.
Чому відкриття топ-кварків є важливим?
Топ-кварки – це найважчі серед шести відомих типів кварків і цінний інструмент для вивчення еволюції кварк-глюонної плазми. Проте через їхню велику масу вони також мають найкоротший час життя – всього 10⁻²⁵ секунд. Це означає, що вони розпадаються ще до того, як відбудеться адронізація.
У той час як кварк-глюонна плазма, що виникає при зіткненні важких іонів, існує 10⁻²³ секунд, топ-кварки зникають ще раніше, що робить їх надзвичайно складними для вивчення.
Команда фізиків із колаборації ATLAS у Великому адронному колайдері вперше виявила формування пари топ-кварків через продукти їхнього розпаду за дилептонним каналом. У цьому процесі топ-кварки розпадаються на боттом-кварк і W-бозон, який, у свою чергу, розпадається на нейтрино і електрон або мюон.
Цей процес був ідентифікований у зіткненні атомів свинцю зі статистичною значущістю 5,03 сигма, що перевищує поріг у 5 сигма для офіційного підтвердження відкриття.
Це перший випадок, коли спостерігали утворення пари топ-кварків у зіткненні між важкими ядрами. Раніше була підтверджена їхня поява у зіткненні між іоном свинцю та протоном, але тепер дослідження просунулося ще далі, відкриваючи нові можливості для вивчення кварк-глюонної плазми.
«Це відкриття підтверджує наявність усіх типів кварків на ранньому етапі формування кварк-глюонної плазми, аналогічно до умов раннього Всесвіту», – зазначають дослідники у своїй роботі.
«Отримані результати відкривають нові можливості для дослідження кварк-глюонної плазми та фізики раннього Всесвіту за допомогою топ-кварків».
