В «супе» кварково-глюонной плазмы, созданной в Большом Адронном Коллайдере, впервые были обнаружены экзотические X-частицы

Posted by admin on 24 января, 2022

В течение нескольких первых миллионных долей секунды после момента Большого Взрыва вновь образовавшаяся Вселенная была заполнена высоктемпературной, в триллионы градусов, кипящей кварково-глюоонной плазмой. В хаосе этой плазмы кварки и глюоны, сталкиваясь случайным образом, формировали крайне короткоживущие X-частицы, быстро распадавшиеся обратно на составные части. Взрывное расширение Вселенной привело к последующему охлаждению плазмы, в ее среде начали образовываться стабильные нейтроны и протоны, ставшие впоследствии основой всей материи. В настоящее время X-частицы являются огромной редкостью, в большей части они возникают лишь в недрах ускорителей, где высокоэнергетические столкновения приводят к кратковременному появлению кварково-глюоонной плазмы.

Недавно ученые-физики из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) совместно с их коллегами из Европейской организации ядерных исследований CERN использовали алгоритмы машинного обучения и самообучения для «просеивания» данных, собранных во время 13 миллиардов столкновений тяжелых ионов в недрах Большого Адронного Коллайдера. Каждое из этих столкновений породило десятки тысяч новых частиц и в этом чрезвычайно плотном и высокоэнергетическом «супе» исследователям удалось обнаружить следы присутствия 100 частиц X (3872). Число в скобках в данном случае означает предполагаемую массу данной частицы.

Отметим, что данный случай является первыми в истории, когда X-частицы были обнаружены в среде кварково-глюоонной плазмы и это дает надежду ученым узнать больше о структуре и свойствах этих загадочных частиц. Признаки присутствия частиц X (3872) впервые были обнаружены в 2003 году в ходе эксперимента Belle experiment на японском ускорителе частиц при столкновениях высокоэнергетических электронов и позитронов. В такой среде X-частицы распадались настолько быстро, что ученым не удалось узнать ничего о структуре этих частиц, но у них оставалась надежда на более тщательное изучение всего этого в среде кварково-глюоонной плазмы.

Пока ученые подозревают, что частица X (3872), скорее всего, является экзотическим видом компактного тетракварка, субатомной частицы, состоящей из четырех кварков. Однако, не исключена возможность того, что эта частица является чем то вроде еще более экзотической молекулы, роль атомов в которой выполняют два связанных друг с другом мезона, субатомные частицы, состоящие из двух кварков.

Для того, чтобы найти следы присутствия X-частиц при столкновениях тяжелых ионов, ученым пришлось реализовать сразу несколько достаточно сложных вещей. Первое — это детальное описание образов распада X-частиц, на основе которых была произведена предварительная тренировка нейронной сети. Во-вторых, при помощи методов математической фильтрации ученым удалось снизить уровень фоновых шумов и помех на несколько порядков.

Но самым ключевым моментом во всем этом стало применение искусственной нейронной сети, только которой было по силам выделить характерные признаки из хаоса рождения и распада более чем квадриллиона короткоживущих частиц, возникающих в результате всего одного столкновения.

В полученных учеными результатах обнаружился четкий пик в области массы, соответствующей массе частиц X (3872). А амплитуда этого пика соответствует количеству этих частиц в 100 единиц.

В течение следующего года-двух ученые планируют собрать и обработать большее количество данных, что, согласно их надеждам, должно пролить свет на структуру загадочных X-частиц. Если X (3872) является плотно упакованным тетракварком, она должна распадаться медленнее, чем псевдомолекула, состоящая из связанных мезонов. И теперь, когда у ученых появился достаточно надежный инструмент обнаружения X-частиц в среде кварково-глюоонной плазмы, данное направление исследований сдвинется, наконец, с мертвой точки.