Пресс-центр

В эксперименте ATLAS получено указание на зарядовую асимметрию рождения t-кварков

Стандартная модель физики элементарных частиц (СМ) предсказывает небольшое различие в угловых распределениях вылета t-кварков и анти-t-кварк (зарядовую асимметрию), появившихся в процессе парного пар t – анти-t рождения при взаимодействии протонов высоких энергий. На проходившей в бельгийском городе Гент конференции EPS-HEP эксперимент ATLAS объявил о регистрации указания на этот феномен, статистическая значимость которого составила 4σ.

В СМ входит шесть типов (ароматов) кварков. Пять из них (u,d,s, c и b) живут настолько долго, что успевают сформировать составные частицы – адроны. Шестой, t (top) кварк – самая тяжелая элементарная частица СМ – живет настолько мало, что не успевает войти в состав адронов. Масса t-кварка сопоставима с массами тяжелых ядер. Для его рождения необходимы ускорители сверхвысоких энергий. Эта частица была открыта в середине 90-х годов прошлого века на протон-антипротонном коллайдере Тэватрон. В настоящее время ведущими экспериментами, изучающими рождение и распады t-кварков, являются ATLAS и CMS, которые проводятся на Большом адронном коллайдере (БАК).

Протоны – частицы материи, состоящие из трех кварков, которые удерживаются сильным взаимодействием (антипротоны – античастицы, состоят из трех антикварков). На БАК сталкиваются частицы, то есть в начальном состоянии кварков больше, чем антикварков. Также распределения по импульсу для них различны. Это позволяет ожидать, что угловое распределение t-кварков будет отличаться от углового распределения анти-t-кварков. Для процессов, в которых t и анти-t родились вместе, СМ предсказывает очень маленькое отличие (меньше 1%). Это связано с тем, что основным процессом рождения пар t – анти-t на БАК является так называемый глюонный синтез (взаимодействие глюонов – частиц переносчиков сильного взаимодействия, для которых t и анти-t равноправны, см. рисунок 2).

Другим механизмом рождения пар t – анти-t является аннигиляция кварков (см. диаграммы на рисунке 3). Как известно, помимо трёх валентных кварков {uud}, составляющих «основу» протона, в него входят морские кварки – виртуальные кварк-антикварковые пары различных ароматов. Углы вылета t – анти-t при кварк-антикварковой аннигиляции зависят от импульсов взаимодействующих кварка и антикварка. Отличие импульсных распределений для них и порождает зарядовую асимметрию.  Тщательный расчет процессов, изображенных на рисунках 2 и 3 предсказывает, что t>-кварки вылетают (в среднем) под меньшими углами, чем антикварки. Предсказания СМ довольно точны, а так как t-кварк по массе ближе всего к массам гипотетических новых тяжелых частиц, отличие эксперимента от предсказаний СМ служило бы указанием на проявление Новой физики. Недавно на конференции EPS-HEP эксперимент ATLAS сообщил, что видит указание на асимметрию рождения пар t – анти-t, причем уровень проявления этого согласуется с предсказаниями СМ.

Для того чтобы зарегистрировать указание на эффект, ATLAS анализировал распады t-кварка на лептон, нейтрино и более легкий кварк, формирующий адронную струю (пучок близко летящих адронов). Была проанализирована вся статистика, набранная в ходе второго этапа работы БАК (2015-2018 гг.). Асимметрия составила 0.0060 ± 0.0015 (статистическая и систематические погрешности объединены); статистическая значимость этого указания составляет 4 σ. Измерение, согласующееся с предсказаниями СМ, показывают, что огромные современные эксперименты могут выдавать результаты с точностью на уровне долей процентов для измерений на шкале несколько сотен ГэВ.

Подробнее об этой работе можно узнать из презентации ATLAS и описания анализа данных. В заключение следует отметить, что сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента ATLAS на БАК, внося таким образом свой вклад в возможность проведения таких экспериментальны х работ.