Исследователи на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе зафиксировали явление, которое происходит лишь раз на триллион протонных столкновений, — они наблюдали рождение одиночного t-кварка вместе с W- и Z-бозонами.

Это поразительное достижение, полученное коллаборацией CMS (Compact Muon Solenoid), представляет собой первое в истории наблюдение рождения одиночного t-кварка в сопровождении W- и Z-бозонов — процесса, известного как tWZ-рождение.

По словам ученых, обнаружить такое событие в данных Большого адронного коллайдера чрезвычайно редкое и сложное событие, подобное поиску единственной иголки в стоге сена размером с олимпийский стадион.

Это событие предоставило команде новый подход к изучению сил, которые формируют Вселенную, и к проверке границ Стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает все известные фундаментальные частицы и их взаимодействия.

Событие с участием одиночного t-кварка

Протонные пучки внутри БАК сталкиваются почти со скоростью света. Эти столкновения высвобождают всплески энергии, позволяя физикам исследовать самые фундаментальные строительные блоки Вселенной.

Теперь, среди миллиардов столкновений, детектор CMS, который предназначен для регистрации широкого спектра частиц и явлений, рождаемых в высокоэнергетических столкновениях в БАК, смог идентифицировать уникальную сигнатуру tWZ-рождения, которое включает в себя создание t-кварка, W-бозона и Z-бозона.

Этот процесс чрезвычайно редок. Он происходит лишь один раз на триллион протон-протонных столкновений. Тем не менее, его открытие предоставляет уникальную возможность изучить, как t-кварк взаимодействует с электрослабой силой, переносчиками которой являются W- и Z-бозоны.

Поскольку t-кварк является самой тяжелой из известных фундаментальных частиц, он сильнее всех взаимодействует с полем Хиггса. Таким образом, изучение tWZ-процесса может дать новое, более глубокое понимание механизма Хиггса и выявить признаки явлений и физики за пределами Стандартной модели.

Проверка фундаментальных сил

В ходе анализа команда столкнулась с серьезной проблемой, поскольку сигнал tWZ очень похож на более распространенный процесс, называемый ttZ-рождением. В этом процессе рождаются t-кварк и его античастица-партнер, анти-t-кварк, вместе с Z-бозоном. Этот фоновый процесс происходит примерно в семь раз чаще, что затрудняет выделение гораздо более редкого сигнала. Чтобы преодолеть эту трудность, ученые использовали передовые алгоритмы машинного обучения для просеивания огромных массивов данных, отделяя неуловимый сигнал tWZ от фонового шума.

В конечном счете, усилия показали, что скорость tWZ-рождения оказалась немного выше, чем предсказывают текущие теории. Будущие данные и анализ помогут определить, является ли это просто статистической флуктуацией. Команда полагает, что это также может оказаться первым намеком на существование чего-то за пределами известных законов физики.

«Если в процессе участвуют неизвестные взаимодействия или частицы, наблюдаемое расхождение между измеренной [скоростью tWZ-рождения] и предсказанием будет быстро увеличиваться с ростом энергий вылетающих частиц — эффект, уникальный для tWZ-процесса», — заявил в пресс-релизе доктор философии Роман Коглер, физик-экспериментатор из коллаборации CMS в DESY.