Ученые обнаружили мимолетную частицу из первых мгновений существования Вселенной

Чтобы обнаружить частицу X, создайте кварк-глюонную плазму.

Отредактировано 2023-25-06
Частица X была обнаружена на подземном БАКе ЦЕРНаЧастица X была обнаружена на подземном БАКе ЦЕРНа.

Когда атомы и субатомные частицы вращаются и сталкиваются друг с другом в магнитном вихре Большого адронного коллайдера (БАК) ЦЕРНа, детекторы, наблюдающие за их столкновениями и образующимся высокоэнергетическим мусором, превращают увиденное в данные - много данных.

Подавляющее большинство этих данных - пустяки, которые ЦЕРН автоматически отфильтровывает. Но каждый год работы БАК, по оценкам ЦЕРН, производит 90 петабайт сохраненных данных - достаточно, чтобы заполнить 90 000 обычных 1-терабайтных жестких дисков. ЦЕРН, в стиле космической оперы 1960-х годов, хранит большую часть этих данных на гигантских банках магнитной ленты в глянцевом помещении недалеко от границы Франции и Швейцарии. Это слишком много данных, чтобы человек мог легко их просеять.

Неудивительно, что в глубине этих хранилищ лежат скрытые жемчужины, которые только и ждут, чтобы их нашли. Физики частиц обнаружили одну из таких жемчужин: странную частицу со странным названием X(3872). Если они правы, то это может быть взгляд назад в самые ранние мерцания времени - на то, как выглядела Вселенная в первые миллионные доли секунды после Большого взрыва. Они опубликовали свои результаты в журнале Physical Review Letters 19 января.

Они лишь поцарапали поверхность того, как выглядит эта частица. "Теоретические предсказания разных групп не совпадали друг с другом, - говорит Ен-Джи Ли, физик частиц из Массачусетского технологического института и один из исследователей.

X(3872) звучит как имя криптида, и его предыдущие наблюдения действительно были мимолетными. Первый случай произошел в 2003 году, когда ученые из эксперимента Belle, ускорителя частиц в Цукубе, Япония, к северу от Токио, мельком увидели X(3872), когда они сбивали электроны вместе. К сожалению, X(3872) распался и исчез слишком быстро, чтобы ученые смогли узнать много нового.

Вместо этого ученые решили, что смогут найти X(3872) в так называемой кварк-глюонной плазме. Ядра атомов содержат сгустки протонов и нейтронов, но эти крошечные частицы на самом деле образованы из еще более мелких частиц, называемых кварками. Чтобы создать более крупные частицы, кварки связываются вместе глюонами - еще более мелкими частицами, действующими как агенты малой ядерной силы.

При чрезвычайно, чрезвычайно высоких температурах - триллионы градусов - протоны и нейтроны и другие подобные им частицы распадаются и растворяются в высокоэнергетической суспензии кварков и глюонов. Это и есть кварк-глюонная плазма.

Только в 21 веке физики смогли создать его. Один из методов, который показал свою эффективность, - столкновение тяжелых ионов: слияние атомных ядер на очень высоких скоростях. К счастью, в ходе экспериментов на БАК тяжелые атомы свинца сталкивались друг с другом, оставляя за собой следы данных в кварк-глюонной плазме, которые исследователи могли прочесать.

Но это не так просто. "Никто еще не пытался обнаружить X(3872) в столкновениях тяжелых ионов, потому что это очень сложная задача", - говорит Ли.

В БАК обычно сталкиваются частицы меньшего размера, например, протоны, но более крупные частицы, такие как атомные ядра, оставляют после себя гораздо больше мусора. "В протон-протонных столкновениях за одно событие образуется несколько десятков частиц, в то время как в столкновениях тяжелых ионов обычно образуется несколько тысяч, а то и 10 000 частиц за событие", - говорит Цзин Ванг, постдок MIT и один из исследователей.

Искать X(3872) среди всего этого - затерянного в тропических лесах данных БАК - все равно что пытаться найти иголку на лугу. Ванг и ее коллеги разработали метод, основанный на машинном обучении: Они обучили алгоритм находить сигнатуру X(3872), ее отпечатки пальцев, по мере того как она распадалась на другие частицы. После некоторой настройки алгоритм нашел частицу с массой X(3872) не менее сотни раз.

Полученные результаты рассказывают нам больше об артефакте из самых ранних этапов истории. Кварк-глюонная плазма заполнила Вселенную в первые миллионные доли секунды ее жизни, до того, как сформировалось то, что мы называем материей - молекулы, атомы или даже протоны и нейтроны.

Ли говорит, что в будущем кварки и глюоны в плазме можно будет использовать для того, чтобы разбить частицу на части и посмотреть, что находится внутри.

Некоторые физики считают, что X(3872) может быть частицей с четырьмя кварками: тетракварком. Субатомные частицы, с которыми мы знакомы - типичные протоны и нейтроны - состоят из трех кварков; частицы с тетракварками - странные, и обычно им требуются высокие энергии, чтобы оставаться вместе. В последнее десятилетие физики наблюдали другие примеры тетракварков в своих ускорителях частиц.

Другая возможность заключается в том, что X(3872) на самом деле построен из мезонов. Это еще один тип субатомных частиц, состоящих из двух частиц: кварка и антикварка, двойника кварка по антиматерии. Мезоны иногда мимолетно появляются на Земле, когда высокоэнергетические космические лучи сталкиваются с обычной материей. Но никто еще не видел более крупной частицы, состоящей из нескольких мезонов.

Это очень интересно, говорит Ли, потому что если X(3872) создан из мезонов, то это признак того, что Вселенная изобиловала такими "экзотическими" частицами.

Но для получения новых знаний им придется ждать еще больше данных. БАК уже три года находится во втором периоде длительного технического обслуживания и модернизации, называемом, что вполне уместно, длительным отключением 2, и дата его перезапуска неоднократно переносилась благодаря COVID. (После этого будет еще больше столкновений, больше кварк-глюонной плазмы, больше данных, которые нужно просеять.

"Будет интересно продолжить это направление исследований с гораздо большим объемом данных", - говорит Ли.