В първите милионни части от секундата след Големия взрив Вселената е била въртяща се, трилион градусова плазма от кварки и глуони - елементарни частици, които за кратко се сливат заедно в безброй комбинации, преди да се охладят и да се установят в по-стабилни конфигурации, за да направят неутроните и протоните от обикновената материя.
В хаоса преди охлаждането част от тези кварки и глуони са се сблъсквали на случаен принцип, за да образуват краткотрайни "X" частици, наречени така заради техните загадъчни, неизвестни структури. Днес X частиците са изключително редки, въпреки че физиците предполагат, че могат да бъдат създадени в ускорители на частици чрез кваркова коалесценция, където високоенергийните сблъсъци могат да генерират подобни проблясъци на кварк-глуонна плазма.
Сега физици от Лабораторията за ядрени науки на Масачузетския технологичен институт и други са открили доказателства за наличието на X частици в кварк-глуонната плазма, произведена в Големия адронен колайдер (LHC) в CERN, Европейската организация за ядрени изследвания.
Екипът използва техники за машинно обучение, за да отсее повече от 13 милиарда сблъсъци на тежки йони, всеки от които произвежда десетки хиляди заредени частици. Сред тази ултра плътна, високоенергийна супа от частици, изследователите успяват да извадят около 100 X частици, от тип, известен като X(3872), кръстен на изчислената маса на частицата.
Резултатите, публикувани наскоро в Physical Review Letters, отбелязват първия път, когато изследователите откриват X частици в кварк-глуонна плазма - среда, която се надяват да освети все още неизвестната структура на частиците.
"Това е само началото. Показахме, че можем да намерим сигнал. През следващите няколко години искаме да използваме кварк-глуонната плазма, за да изследваме вътрешната структура на X частицата, което може да промени представата ни за това какъв материал трябва да е направена Вселената", коментира водещият автор Йен-Дзие Лий (Yen-Jie Lee), доцент по физика от Масачузетския технологичен институт (MIT).
Съавторите на изследването са членове на CMS Collaboration, международен екип от учени, който оперира и събира данни от "Компактния мюонен соленоид" (CMS - Compact Muon Solenoid), един от детекторите за частици на Големия адронен колайдер (LHC).
Частици в плазмата
Основните градивни елементи на материята са неутронът и протонът, всеки от които е направен от три здраво свързани кварка.
„От години смятахме, че по някаква причина природата е избрала да произвежда частици, направени само от два или три кварка“, разказва Лий.
Едва наскоро физиците започват да забелязват признаци на екзотични "тетракварки" - частици, направени от рядка комбинация от четири кварка. Учените подозират, че X(3872) е или компактен тетракварк, или изцяло нов вид молекула, направена не от атоми, а от два слабо свързани мезона – субатомни частици, които сами по себе си са направени от два кварка.
Илюстрация на предложените интерпретации за това как кварките се вписват заедно, за да образуват състоянието X(3872). Кредит: CERN
X (3872) е открит за първи път през 2003 г. от експеримента Belle, колайдер на частици в Япония, който разбива високоенергийни електрони и позитрони. В тази среда обаче редките частици се разпадат твърде бързо, за да могат учените да изследват структурата им в детайли. Предполага се, че X (3872) и други екзотични частици могат да бъдат по-добре проучени в кварк-глуонната плазма.
„Теоретично казано, в плазмата има толкова много кварки и глуони, че производството на X частици трябва да бъде засилено“, обяснява Лий. „Но хората смятаха, че ще бъде твърде трудно да ги намерят, защото има толкова много други частици, произведени в тази кваркова супа."
"Истински сигнал"
В новото си изследване Лий и неговите колеги търсят признаци на X частици в кварк-глуонната плазма, генерирана от сблъсъци на тежки йони в Големия адронен колайдер на CERN. Те основават своя анализ на набор от данни на LHC за 2018 г., който включва повече от 13 милиарда сблъсъци на оловни йони, всеки от които освобождава кварки и глуони, които се разпръскват и сливат, за да образуват повече от квадрилион частици с кратък живот, преди да се охладят и разпаднат.
„След като кварк-глуонната плазма се образува и охлади, се получават изключително много частици, фонът е огромен“, разказва Лий. "Така че трябваше да разбием този фон, за да можем в крайна сметка да видим X частиците в нашите данни."
За да направи това, екипът използва алгоритъм за машинно обучение, който те обучат да избира модели на разпад, характерни за X частиците. Веднага след като частиците се образуват в кварк-глуонна плазма, те бързо се разпадат на "дъщерни" частици, които се разпръскват. За X частиците този модел на разпадане или ъглово разпределение е различен от всички други частици.
Изследователите, водени от постдокторанта от MIT Дзин Уан (Jing Wang), идентифицират ключови променливи, които описват формата на модела на разпадане на X частиците. Те обучават алгоритъма за машинно обучение да разпознава тези променливи, след което подават на алгоритъма действителни данни от експериментите за сблъсъци в LHC. Алгоритъмът успява да отсее изключително плътния и шумен набор от данни, за да избере ключовите променливи, които вероятно са резултат от разпадащи се X частици.
„Успяхме да намалим фона с порядък, за да видим сигнала“, разказва Уан.
Изследователите проучват сигналите и наблюдават пик при специфична маса, което показва наличието на X (3872) частици, при общо около 100 случая.
„Почти немислимо е да можем да извадим тези 100 частици от този огромен набор от данни“, коментира Лий, който заедно с Уан извършва множество проверки, за да потвърди тяхното наблюдение.
През следващите година или две изследователите планират да съберат много повече данни, които трябва да помогнат за изясняване на структурата на X частицата. Ако частицата е плътно свързан тетракварк, тя трябва да се разпадне по-бавно, отколкото ако беше слабо свързана молекула.
„В момента нашите данни са в съответствие и с двете, защото все още нямаме достатъчно статистически данни. През следващите няколко години ще вземем много повече данни, за да можем да разделим тези два сценария“, обяснява Лий. "Това ще разшири погледа ни за видовете частици, които са били произведени в изобилие в ранната Вселена."
Справка: A. M. Sirunyan et al, Evidence for X(3872) in Pb-Pb Collisions and Studies of its Prompt Production at sNN=5.02 TeV, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.032001
Източник: First detection of exotic 'X' particles in quark-gluon plasma
Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology
Още по темата
Физика
Открита е нова частица от екзотична материя, тетракварк
Физика
Откриха нова екзотична частица в Големия адронов колайдер
Физика
Тъмната материя може да се е образувала от хексакварк D* (2380), частица, открита през 2014 г.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари