Только вчера портал BelNET рассказывал, как 31 год назад был открыт топ-кварк - и сегодня мы читаем, что в мире частиц обнаружено нечто необычное: исследователи DESY в ЦЕРНе наблюдали топ-кварк вместе с W- и Z-частицами. Это открытие дает новые перспективы в изучении загадочного поля Хиггса и возможных расширений Стандартной модели.

Столкновение топ-кварка, W-бозона и Z-бозона. Картинка коллаборации CMS/ЦЕРН

Кажется почти невероятным, что в море данных, полученных на Большом адронном коллайдере (БАК - Large Hadron Collider - LHC) в ЦЕРНе, до сих пор остаются нераскрытые открытия. За многие годы там были зарегистрированы миллиарды столкновений протонов, которые тщательно изучались сотнями рабочих групп и тысячами ученых по всему миру. Однако ученые из DESY - Роман Коглер и его аспирант Альберто Бельведер только что совершили, казалось бы, невозможное: впервые они обнаружили совместное рождение кварка, называемого «топ-кварком», и двух частиц-переносчиков, называемых W и Z, как они сообщают в журнале Physical Review Letters. Это интересно не только потому, что это произошло впервые, но и потому, что это подтверждает давно существовавшее предположение и теперь предлагает исследователям совершенно новые методы для изучения поля Хиггса.

Чтобы понять, почему это наблюдение является таким сенсационным открытием, необходимо знать, что топ-кварк — одна из самых тяжелых частиц в мире. Поэтому для его создания в протон-протонных столкновениях на БАК требуется огромное количество энергии. Однако, поскольку он очень тяжелый, топ-кварк также сильно взаимодействует с полем Хиггса, которое придает всем частицам массу. Именно поэтому он так интересен для физики элементарных частиц: он дает исследователям возможность изучать поле Хиггса, которое до сих пор в значительной степени не исследовано и из которого происходит бозон Хиггса, обнаруженный на БАК в 2012 году. Вопрос о том, как именно выглядит поле Хиггса и могут ли существовать разные типы бозонов Хиггса, остается без ответа.

Вновь открытый процесс, в свою очередь, приводит к образованию W- и Z-частиц, которые передают одну из фундаментальных сил природы: электрослабое взаимодействие. Механизм Хиггса также придает W- и Z-частицам массу, но совершенно иным способом, чем это происходит с топ-кварком. W- и Z-частицы разделяют свое поле с полем Хиггса, то есть частично состоят из него. Когда на БАК образуется один топ-кварк вместе с W- и Z-бозонами, исследователи могут изучать электрослабое взаимодействие топ-кварка, а также то, как поле Хиггса взаимодействует с этими частицами.

Чтобы понять значение этого наблюдения, важно также знать, что топ-кварки, W-частицы и Z-частицы — процесс, известный как образование tWZ, — не часто образуются вместе. Вероятность их совместного образования при столкновении в семь раз меньше, чем и без того очень редкое образование двух топ-кварков с Z-бозоном, также называемое ttZ. Образование ttZ-частиц происходит в 1000 раз реже, чем другие процессы с участием двух топ-кварков. Процесс tWZ не только очень редок, но и еще более сложен тем, что эти комбинации частиц выглядят чрезвычайно похожими на события ttZ в детекторе. Поэтому различение более частых, но все еще редких событий ttZ от редких событий tWZ было очень сложной задачей.

Вывод - замечательно, что ученые смогли обнаружить этот очень редкий процесс, потому что чем реже встречается процесс, тем выше шансы обнаружить что-то принципиально новое.

Отметим, что указанная выше статья находится в свободном доступе и достойна вдумчивого прочтения:

A. Hayrapetyan, V. Makarenko, A. Tumasyan, W. Adam, J. W. Andrejkovic, L. Benato, T. Bergauer, M. Dragicevic, C. Giordano et al. (CMS Collaboration), Observation of 𝑡⁢𝑊⁢𝑍 Production at the CMS Experiment, Phys. Rev. Lett. 136, 081802, DOI: https://doi.org/10.1103/rk6w-1pcl