Нове відкриття кварків розкриває важливу підказку про народження Всесвіту

Пару топ-кварків виявлено в уламках після зіткнення двох атомів свинцю

Вперше ця специфічна пара кварк-антикварк була зафіксована під час зіткнення двох ядер. Це відкриття зміцнює докази того, що всі шість типів кварків існували ще на світанку часу — у первісній кварк-глюонній плазмі, якою, як вважається, був наповнений Всесвіт у перші миті після Великого вибуху.

Це означає, що ми на крок ближче до нових вимірювань цієї первісної «супу» та до отримання глибшого розуміння того, як виник наш Всесвіт із самого початку.

Кварк-глюонна плазма виникає тоді, коли елементарні частинки — кварки та глюони, які зазвичай зв’язані в протонах і нейтронах, — звільняються з цих «оболонок» і утворюють взаємодіючий «суп» за надзвичайно енергійних умов.

Проблема в тому, що кварки розпадаються дуже швидко — за крихітну частку секунди. Кварк-глюонна плазма, що утворилася після Великого вибуху, існувала лише кілька мільйонних часток секунди, перш ніж частинки почали злипатися та формувати звичайну матерію — процес, який називається гідронізацією.

Щоб дослідити кварк-глюонну плазму, фізики використовують такі прискорювачі частинок, як Великий адронний колайдер (LHC), де важкі частинки зіштовхуються між собою. Такі зіткнення створюють «зливу» частинок, які коротко проходять через стан кварк-глюонної плазми на шляху до формування звичайної матерії. Вчені можуть вимірювати продукти цього процесу, щоб дослідити властивості цієї плазми.

Топ-кварки — найважчі серед шести видів кварків і є особливо цінним інструментом для дослідження еволюції кварк-глюонної плазми. Однак через їхню велику масу, вони також мають найкоротший час життя — всього 10⁻²⁵ секунд. Це менше, ніж тривалість утворення гідронів, а отже, вони розпадаються ще до гідронізації.

Кварк-глюонна плазма, яка утворюється при зіткненні важких іонів, триває 10⁻²³ секунд, тобто топ-кварки зникають ще до зникнення плазми, що робить їх дослідження особливо складним.

Топ-кварки з’являються під час зіткнення важких частинок: критична підказка щодо народження Всесвіту

Зазвичай фізики не спостерігають частинки безпосередньо, а натомість визначають їх за продуктами розпаду — саме так і відбулося в новому дослідженні. У Великому адронному колайдері команда фізиків з колаборації ATLAS зафіксувала утворення пари топ-кварків за продуктами їх розпаду через дилептонний канал.

У цьому процесі топ-кварки розпадаються на ботом-кварк і бозон W; потім бозон W розпадається на нейтрино та електрон або мюон. Колаборація виявила цей процес у зіткненнях свинцевих атомів зі статистичною значущістю 5,03 сигма, що перевищує поріг у 5 сигма для надійного відкриття.

Це вперше, коли утворення пари топ-кварків спостерігалося в зіткненні між важкими ядрами. У попередній роботі йшлося про таке саме утворення в зіткненні свинцевого іона та протона. Новий результат просуває це дослідження на новий рівень і відкриває шлях до майбутніх досліджень кварк-глюонної плазми.

«Спостереження цього процесу підтверджує присутність усіх типів кварків у передрівноважному стані кварк-глюонної плазми, подібно до умов у ранньому Всесвіті», — пишуть дослідники у своїй статті.

«Цей результат відкриває шлях до подальших досліджень кварк-глюонної плазми та фізики раннього Всесвіту з використанням топ-кварків».