В первые миллионные доли секунды после Большого взрыва Вселенная представляла собой плазму кварков и глюонов, бурлящую при температуре в триллионы градусов. Кварки и глюоны представляют собой элементарные частицы, на короткое время слившиеся воедино в бесчисленных комбинациях, прежде чем охладиться и принять более стабильные конфигурации.
В хаосе перед охлаждением, часть этих кварков и глюонов случайным образом сталкивалась, образуя короткоживущие частицы «X», названные так из-за своей таинственной неизвестной структуры. Сегодня X-частицы встречаются чрезвычайно редко. Физики предполагают, что их можно создавать при помощи ускорителя частиц — по их версии, высокоэнергетические столкновения в результате слияния кварков способны генерировать аналогичные вспышки кварк-глюонной плазмы.
Недавно физики из Лаборатории ядерных наук Массачусетского технологического института и других институтов обнаружили доказательства присутствия X-частиц в кварк-глюонной плазме, производимой в Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований, расположенной недалеко от Женевы, Швейцария.
Чтобы отсортировать более 13 миллиардов столкновений тяжелых ионов, каждое из которых произвело десятки тысяч заряженных частиц, команда использовала методы машинного обучения. В этом сверхплотном сплаве из высокоэнергетических частиц исследователи смогли выделить около 100 частиц типа X, известного как X (3872), названного в честь расчетной массы частицы.
Согласно результатам, опубликованным в издании Physical Review Letters, исследователям удалось впервые обнаружить частицы X в кварк-глюонной плазме — среде, которая, как они надеются, прольет свет на пока неизвестную структуру частиц.
Ведущий автор исследования, адъюнкт-профессор физики Массачусетского технологического института Йен-Джи Ли уверен, что все только начинается.
«Мы убедились, что можем найти сигнал. В ближайшие несколько лет мы хотим использовать кварк-глюонную плазму для исследования внутренней структуры Х-частицы. Результат может изменить наше представление о том, какой материал производит Вселенная», — объяснил ученый.
Соавторы исследования являются членами CMS Collaboration — международной группы ученых, которая работает и собирает данные с Compact Muon Solenoid, одного из детекторов частиц LHC.
Частицы в плазме
Основными «строительными блоками» материи являются нейтрон и протон, каждый из которых состоит из трех тесно связанных кварков.
«В течение многих лет мы думали, что по какой-то причине природа решила производить частицы, состоящие только из двух или трех кварков», — рассказал Ли.
Лишь недавно физики начали замечать признаки экзотических «тетракварков» — частиц, состоящих из редкой комбинации четырех кварков. Ученые 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) был впервые обнаружен в 2003 году в рамках эксперимента Belle — коллайдера частиц в Японии, который сталкивает высокоэнергетические электроны и позитроны. Однако в этой среде редкие частицы распадались слишком быстро, чтобы ученые могли детально изучить их структуру. Было высказано предположение, что X (3872) и другие экзотические частицы могут лучше освещаться в кварк-глюонной плазме.
«Теоретически в плазме так много кварков и глюонов, что производство Х-частиц должно быть увеличено. Но многие ученые думали, что искать их будет слишком сложно, потому что в этом «кварковом супе» образуется много других частиц», — уточнил исследователь.
В своем новом исследовании Ли и его коллеги искали признаки X-частиц в кварк-глюонной плазме, генерируемой столкновениями тяжелых ионов в Большом адронном коллайдере ЦЕРН. 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, которые рассеивались и сливались, образуя более квадриллиона короткоживущих частиц перед охлаждением и распадом.
«После того, как кварк-глюонная плазма сформировалась и остыла, образовалось так много частиц, что фон стал подавляющим. Поэтому нам пришлось сбить этот фон, чтобы мы могли в конечном итоге увидеть частицы X в наших данных», — заявил Ли.
Для этого команда использовала алгоритм машинного обучения, который они научили выделять характерные для X-частиц закономерности распада. Сразу после образования 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.
Исследователи определили ключевые переменные, которые описывают форму картины распада X-частицы. Они обучили алгоритм машинного обучения распознавать эти переменные, а затем предоставили алгоритму фактические данные из экспериментов по столкновению на БАК. Алгоритм смог просеять чрезвычайно плотный и зашумленный набор данных, чтобы выбрать ключевые переменные, которые, вероятно, были результатом распада X-частиц.
«Нам удалось на несколько порядков понизить фон, чтобы увидеть сигнал», — рассказал Ли.
Исследователи увеличили сигналы и увидели пик определенной массы, указывающий на присутствие частиц X (3872), всего около 100.
В ближайшие год или два ученые планируют собрать гораздо больше данных, которые должны помочь выяснить структуру X-частицы. Если частица представляет собой прочно связанный тетракварк, она должна распадаться медленнее, чем если бы это была слабосвязанная молекула. Теперь, когда команда показала, что частицы X могут быть обнаружены в кварк-глюонной плазме, они планируют более подробно исследовать эту частицу с помощью кварк-глюонной плазмы, чтобы определить структуру частицы X.