На БАК обнаружили неуловимые пары топ-кварков Эксперименты CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе обнаружили в поведении топ-кварков неожиданную особенность, позволяющую предположить, что эти тяжелые элементарные частицы образуют связанное состояние пары кварков топ-анти-топ, так называемого топония. Комментарий к этому наблюдению дал руководитель программы физических исследований ОИЯИ в коллаборации CMS, директор Лаборатории информационных технологий им. М. Г. Мещерякова Сергей Шматов. Как отметил Сергей Шматов, ученые ЛИТ также, как и все физики ОИЯИ, участвующие в экспериментах CMS и ATLAS ведут активную работу по поиску физики за пределами Стандартной модели и, в частности, новых состояний, предсказываемых неминимальными хиггсовскими моделями. Одним из направлений исследований является поиск новой физики в каналах с парой топ-кварков в конечном состоянии. «Я бы сказал, что это больше триумф экспериментальной физики, чем теории. Это состояние было ранее предсказано в рамках нерелятивистской квантовой хромодинамики, но ранее оно не наблюдалось, так как вероятность нерезонансного образования пары топ кварков на кинематическом пороге много больше вероятности образования их связанного состояния. Долгое время существование такой квазистабильной пары считалось невозможным – большая масса топ-кварков приводила к их быстрому распаду до того, как между ними установится глюонная связь. Наблюдение стало реальным в первую очередь благодаря беспрецедентной статистике экспериментальных данных, набранных в ходе Run 2 на БАК. И мы как Лаборатория, и как Объединенный институт в целом, считаем своим успехом, что наш центр обработки данных CMS уровня Tier-1 занял в 2024 г. первое место среди всех сайтов эксперимента в мире с точки зрения затрачиваемого на обработку данных процессорного времени. Кроме этого, непрерывно шло и продолжает идти активное развитие методов реконструкции событий и физического анализа. И вот сейчас эксперимент CMS впервые обнаружил избыток событий, указывающий на некое явление, в крайне узкой энергетической области от 338 до 350 ГэВ, как раз на пороге рождения двух топ-кварков. А эксперимент ATLAS подтвердил это наблюдение. Теперь фактически у нас две гипотезы: либо это цветовой синглет, квазистабильное состояние пары топ-кварк-антикварк, либо мы получили указание на новую физику, что, судя по имеющимся данным, представляется менее вероятным. Для ответа нам нужны как более точные теоретические предсказания, так и анализ новых данных, которые уже набраны обоими экспериментами в ходе Run 3. Первое наблюдение в истории человечества какого-либо явления, это всегда интересно. И каждый раз мы надеемся, что такое явление может обладать новыми свойствами, которые не описываются Стандартной моделью, и это дает нам надежду, что мы можем говорить об указаниях на новую физику», – рассказал Сергей Шматов. Художественное представление кратковременного союза топ-кварка и его античастицы, образованный путем обмена глюонами. (Источник: Д. Домингес/ЦЕРН) Пресс-релиз ЦЕРН Женева, 8 июля. Необычное явление в столкновении протонов, наблюдаемое ранее экспериментом CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, теперь подтверждено экспериментом ATLAS. Результаты, представленные вчера на конференции Европейского физического общества по физике высоких энергий в Марселе (EPS HEP 2025), свидетельствуют, что топ-кварки — самые тяжелые и короткоживущие из всех элементарных частиц — на мгновение соединяются со своими античастицами, образуя «квазисвязанное состояние», называемое топонием. Чтобы понять истинную природу этой неуловимой пары необходимы дальнейшие исследования, основанные на сложных теоретических расчетах квантовой хромодинамики (КХД). При высокоэнергетических столкновениях протонов на БАК регулярно рождаются пары топ-кварк-антикварк. Измерение сечения (вероятности образования) данного процесса служит не только важной проверкой Стандартной модели физики частиц, но и мощным инструментом для поиска новых частиц, не описанных этой теорией. В прошлом году учёные эксперимента CMS проанализировали большой массив данных, собранных в 2016–2018 годах для поиска новых типов бозонов Хиггса, и заметили нечто необычное. Команда обнаружила избыток по сравнению с предсказаниями теории пар топ-кварк-антикварк, что часто принято считать указанием на существования новых тяжёлых частиц. Особо интригующим оказалось то, что это превышение наблюдалось при минимальной энергии, необходимой для образования такой пары топ-кварков. Это натолкнуло исследователей на альтернативную гипотезу об образовании короткоживущего связанного состояния топ-кварка и его античастицы. Долгое время обнаружение подобного состояния на БАК считалось слишком сложным. Топ-кварк — одиночка по жизни. В то время как другие кварки могут объединяться в связанные состояния, называемые адронами, топ-кварки обычно распадаются почти мгновенно, не успевая образовать связанное состояние. Однако благодаря квантовой механике пара топ-кварк-антикварк способна просуществовать достаточно долго для того, что между ними начался обмен глюонами, связывающими их в состоянии топония, при условии, что они рождаются почти в состоянии покоя относительно друг друга. Опираясь на упрощенную гипотезу образования топония, эксперимент CMS измерил сечение рождения избытка пар топ-кварк-антикварк, которое составило 8,8 пикобарн (пб) с погрешностью около 1,3 пб. Это соответствует статистической значимости наблюдения сигнала больше, чем 5 стандартных отклонений , что достаточно для объявления об открытии в физике элементарных частиц, и свидетельствует о том, что случайность почти исключена (вероятность того, что наблюдаемое явление является ошибкой, т.е. сигнал является флуктуацией фона, равна 1/3000000). «Наблюдение нерелятивистского эффекта КХД, который казался недостижимым, — это грандиозный успех для научной программы экспериментов на БАК», — прокомментировал руководитель эксперимента CMS Готье Амель де Моншено. «Мы с нетерпением ждем дальнейшего плодотворного взаимодействия с нашими коллегами-теоретиками, чтобы мы могли узнать больше о Стандартной модели». Изучив полный набор данных второго сеанса работы БАК, собранных в 2015–2018 годах, коллаборация ATLAS также обнаружила тот же эффект. Данные ATLAS отвергают модели, игнорирующие образование квазисвязанного состояния со статистической значимостью 7,7 сигма. Измеренное ATLAS сечение образования избытка пар топ-анти-топ составило 9,0 ± 1,3 пб, что согласуется с данными CMS. Нет никаких сомнений в том, что в результатах экспериментов были получены неожиданные данные. Сложность заключается в точном определении природы феномена. Альтернативой образования топония может быть, например, существование новой частицы с массой, близкой к удвоенной массе топ-кварка, которая образуется при столкновениях глюонов и распадается на пару топ-кварк-антикварк. Окончательная интерпретация нового явления будет основана на точном моделировании поведения кварков и глюонов в сложной среде высокоэнергетических протон-протонных столкновений, включая самые современные расчеты КХД. «Долгое время считалось, что экспериментально измерить на БАК этот неуловимый эффект невозможно, поскольку близкие к порогу рождения события составляют лишь малую часть образованных пар с топ-кварками, и их трудно зафиксировать», — сказал руководитель ATLAS Стефан Виллок. «Однако благодаря обилию данных о протон-протонных столкновениях, полученных во время второго сеанса работы БАК, и благодаря достижениям в методах анализа это предположение теперь опровергается». Если гипотеза о существовании топония подтвердится, его открытие даст новый виток истории кваркониев. Кварконий — термин для нестабильных состояний, образованных парами тяжелых кварков и антикварков одного и того же аромата. Чармоний был открыт в 1974 году в результате «ноябрьской революции» в физике элементарных частиц, а боттомоний — три года спустя; оба были открыты в американских лабораториях. «Такие впечатляющие результаты экспериментов ATLAS и CMS доказывают, что нам еще многое предстоит узнать о Стандартной модели физики частиц при высоких энергиях», — заявил Йоахим Мних, директор по исследованиям и компьютингу ЦЕРН. «Они демонстрируют, что высокоточные измерения, многие из которых считались невозможными на адронном коллайдере, могут выявить удивительно тонкие явления, углубляющие наше понимание природы». Поскольку текущий третий сеанс набора данных на БАК предоставил значительно больше данных, коллаборации ATLAS и CMS намерены углубиться в исследование сильного взаимодействия посредством взаимодействий топ-кварка и антикварка в нерелятивистском режиме. События-кандидаты на образования квазисвязанного состояния пары топ-кварков в эксперименте (слева) ATLAS и (справа) CMS. (Источник: ATLAS/CMS/CERN) Ссылки ATLAS Collaboration 2025 (ATLAS-CONF-2025-008): “Observation of a cross-section enhancement near the t¯t production threshold in √s=13 TeV pp collisions with the ATLAS detector”. CMS Collaboration 2024 (TOP-24-007): "Observation of a pseudoscalar excess at the top quark pair production threshold". Источник: Пресс-релиз ЦЕРН от 8 июля августа 2025. Ученые Объединенного института ядерных исследований принимают активное участие в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC). Свое участие в обоих экспериментах ОИЯИ начал на этапах их предварительных исследований и разработок, став впоследствии одним из основных участников как ATLAS, так и CMS.
