Неожиданная особенность столкновений протонов, ранее зафиксированная в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, была подтверждена экспериментом-партнёром ATLAS.
Результат, [представленный](https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/CONFNOTES/ATLAS-CONF-2025-008/) вчера на конференции Европейского физического общества по физике высоких энергий в Марселе, указывает на то, что топ-кварки — самые тяжёлые и короткоживущие из всех элементарных частиц — могут на мгновение объединяться со своими аналогами из антиматерии, образуя «квазисвязанное состояние», называемое топомезоном.
Дальнейшие исследования, основанные на сложных теоретических расчётах сильного ядерного взаимодействия, известного как квантовая хромодинамика (КХД), позволят физикам понять истинную природу этого неуловимого взаимодействия.
Столкновения протонов на БАК обычно приводят к образованию пар топ-кварк — антикварк. Измерение вероятности, или сечения, этого процесса является важным тестом Стандартной модели физики элементарных частиц и мощным способом поиска новых частиц, не описанных теорией.
В прошлом году исследователи CMS анализировали большую выборку данных о производстве топ-кварков, собранных с 2016 по 2018 год, в поисках новых типов бозонов Хиггса, когда они [заметили](https://phys.org/news/2025-04-intriguing-excess-quark-pairs-hints.html) нечто необычное. Команда обнаружила избыток пар топ-кварк — антикварк, что часто рассматривается как явное указание на присутствие новых частиц.
Интересно, что избыток появился при минимальной энергии, необходимой для производства такой пары топ-кварков. Это привело команду к рассмотрению альтернативной гипотезы о чём-то, что долгое время считалось слишком сложным для обнаружения на БАК: о короткоживущем объединении топ-кварка и топ-антикварка.
Топ-кварк обычно является одиночкой. В то время как другие кварки могут объединяться, образуя связанные состояния, называемые адронами, чрезвычайно короткое время жизни топ-кварка означает, что он обычно распадается почти мгновенно, исчезая до того, как сможет образовать связанное состояние.
Но квантовая механика позволяет паре топ-кварк — антикварк иногда выживать достаточно долго, чтобы при почти нулевом относительном движении они могли обмениваться глюонами (посредниками сильного взаимодействия), которые связывают их в состояние топомезона.
Основываясь на упрощённой гипотезе о производстве топомезона, CMS измерил сечение для избытка топ-кварк — антикварк равным 8,8 пикобарн (пб) с неопределённостью около 1,3 пб. Это прошло уровень уверенности в «пять сигм», необходимый для объявления об открытии в физике элементарных частиц, и сделало крайне маловероятным, что превышение над предсказанием только фона является просто статистической флуктуацией.
«Наблюдение нерелятивистского эффекта КХД, который считался слишком сложным для обнаружения, является большим триумфом для программы экспериментов на БАК», — сказал представитель CMS Готье Амель де Моншенау. «Мы с нетерпением ожидаем дальнейшего плодотворного взаимодействия с нашими коллегами-теоретиками, чтобы узнать больше об этом увлекательном уголке Стандартной модели».
При изучении полного набора данных БАК Run-2, собранного с 2015 по 2018 год, коллаборация ATLAS также увидела тот же эффект. Данные ATLAS отвергают модели, игнорирующие формирование квазисвязанного состояния, со значимостью 7,7 сигмы и определяют сечение производства избытка топ-кварк — антикварк равным 9,0 ± 1,3 пб, что близко согласуется с результатами CMS.
Хотя нет сомнений в том, что в данных БАК присутствует непредвиденное явление, задача состоит в том, чтобы быть уверенными в его первопричине. Альтернативной или дополнительной возможностью формирования топомезона 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 этого нового явления будет основана на точном моделировании поведения кварков и глюонов в сложных условиях высокоэнергетических [протон-протонных столкновений](https://phys.org/tags/proton-proton+collisions/), с использованием современных расчётов КХД.
«Долгое время считалось, что экспериментально невозможно измерить этот тонкий эффект на БАК, поскольку события, близкие к порогу производства, составляют лишь малую долю от общего числа произведённых топ-пар и их трудно обнаружить в данных», — сказал представитель ATLAS Стефан Уиллок. «Однако благодаря богатству данных о протон-протонных столкновениях, записанных во время Run 2 БАК, и благодаря достижениям в методах анализа это давнее предположение теперь опровергается».
Если гипотеза о топомезоне подтвердится, её открытие добавит новый поворот в историю кваркония — термин для нестабильных состояний, образованных из пар тяжёлых кварков и антикварков одного аромата. Чарионий (чарм — антикарм) был открыт в 1974 году, что вызвало «ноябрьскую революцию» в физике элементарных частиц, а боттомоний (боттом — анниботтом) был обнаружен три года спустя, оба в лабораториях в Соединённых Штатах.
«Эти впечатляющие результаты от ATLAS и CMS доказывают, что в Стандартной модели физики элементарных частиц при высоких энергиях всё ещё многое предстоит узнать», — сказал директор по исследованиям и вычислениям ЦЕРН Йоахим Мних. «Они показывают, что высокоточные измерения, многие из которых никогда не считались возможными на адронном коллайдере, могут выявить удивительно тонкие явления, которые углубляют наше понимание природы».
Благодаря продолжающемуся Run 3 БАК, который должен предоставить значительно больше данных, коллаборации ATLAS и CMS намерены углубить исследование сильного взаимодействия через взаимодействия топ-кварк — антикварк в нерелятивистском режиме.
Работа была принята к публикации в Reports on Progress in Physics.
Предоставлено [ЦЕРН](https://phys.org/partners/cern/)