Неожиданная особенность в столкновениях протонов, ранее замеченная в эксперименте CMS в Большом адронном коллайдере (БАК) в CERN, подтверждена экспериментом 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 временно объединяться со своими аналогами из антиматерии, образуя «квази-связанное 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 высокой энергии
Столкновения протонов высокой энергии в БАК регулярно приводят к образованию пар топ-кварк — антитоп-кварк. Измерение вероятности, или сечения, этого процесса является важным тестом Стандартной модели физики элементарных частиц и мощным способом поиска новых частиц, не описанных теорией.
Наблюдение избытка пар топ-кварков
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 [обнаружили](https://phys.org/news/2025-04-intriguing-excess-quark-pairs-hints.html) нечто необычное. Команда увидела избыток пар топ-кварк — антитоп-кварк, что часто рассматривается как явное указание на присутствие новых частиц.
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 союзе топ-кварка и топ-антикварка.
Топ-кварк и его особенности
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 — антитоп-кварк иногда выживать достаточно долго, чтобы при почти полном покое относительно друг друга они могли обмениваться глюонами (посредниками сильного взаимодействия), которые связывают их в состояние топомезона.
Результаты экспериментов
Основываясь на упрощённой гипотезе о производстве топомезона, CMS измерил сечение для избытка топ-кварк — антитоп-кварк равным 8,8 пикобарн (пбн) с погрешностью около 1,3 пбн. Это прошло уровень достоверности «пять сигм», необходимый для заявления 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».
Изучая полный набор данных БАК Run-2, собранных с 2015 по 2018 год, коллаборация ATLAS также увидела тот же эффект. Данные ATLAS отвергают модели, игнорирующие формирование квази-связанного состояния, со значимостью 7,7 сигмы и определяют сечение производства топ-кварк — антитоп-кварк равным 9,0 ± 1,3 пбн, что близко согласуется с данными CMS.
Вызовы и перспективы
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 — антитоп-кварк.
Окончательная интерпретация этого нового явления будет основана на точном моделировании поведения кварков и глюонов в сложных условиях высокоэнергетических столкновений протонов, включая современные расчёты 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 производимых топ-пар и их трудно обнаружить в данных», — сказал представитель ATLAS Стефан Уиллок. «Однако благодаря богатству данных о столкновениях протонов, 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, обозначающий нестабильные состояния, образованные из пар тяжёлых кварков и антикварков одного аромата. Чармоний (чарм — антчарм) был открыт в 1974 году, что вызвало «ноябрьскую революцию» в физике элементарных частиц, а боттомоний (боттом — антботтом) был обнаружен три года спустя в лабораториях Соединённых Штатов.
«Эти впечатляющие результаты от ATLAS и CMS доказывают, что в Стандартной модели физики элементарных частиц при высоких энергиях всё ещё есть чему поучиться», — сказал директор по исследованиям и вычислениям CERN 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».
С учётом продолжающегося Run 3 БАК, который должен предоставить значительно больше данных, коллаборации ATLAS и CMS намерены углубить исследование сильного взаимодействия через взаимодействия топ-кварк — антитоп-кварк в нерелятивистском режиме.
Работа была принята к публикации в Reports on Progress in Physics.
[Предоставлено CERN](https://phys.org/partners/cern/)
reported yesterday at the European Physical Society’s High-Energy Physics conference in Marseille, suggests that top quarks—the heaviest and shortest-lived of all the elementary particles—can momentarily pair up with their antimatter counterparts to produce a \”quasi-bound-state\” called toponium. Further input based on complex theoretical calculations of the strong nuclear force—called quantum chromodynamics (QCD)—will enable physicists to understand the true nature of this elusive dance.”,”High-energy collisions between protons at the LHC routinely produce top quark–antiquark pairs. Measuring the probability, or cross section, of this process is both an important test of the Standard Model of particle physics and a powerful way to search for the existence of new particles that are not described by the theory.”,”Last year, CMS researchers were analyzing a large sample of top quark–antiquark production data collected from 2016 to 2018 to search for new types of Higgs bosons when they observed something unusual. The team saw a surplus of top quark–antiquark pairs, which is often considered as a smoking gun for the presence of new particles.”,”Intriguingly, the excess appeared at the very minimum energy required to produce such a pair of top quarks. This led the team to consider an alternative hypothesis of something that had long been considered too difficult to detect at the LHC: a short-lived union of a top quark and a top antiquark.”,”The top quark is typically a loner. While other quarks can get together to form bound states called hadrons, the top quark’s extremely short lifetime means that it typically decays almost instantly—disappearing before it can form a bound state.”,”But quantum mechanics makes it possible for the top quark-antiquark pair to occasionally survive long enough that, if produced almost at rest with respect to each other, they can exchange gluons (messengers of the strong force) that bind them into the toponium state.”,”Basing itself on a simplified toponium production hypothesis, CMS measured the cross section for the top quark–antiquark excess to be 8.8 picobarns (pb) with an uncertainty of about 1.3 pb. This passed the \”five sigma\” level of certainty required to claim a discovery in particle physics and made it extremely unlikely that the excess over the background-only prediction is just a statistical fluctuation.”,”\”The observation of a non-relativistic QCD effect that was thought to be too difficult to detect is a great triumph for the LHC experiment program,\” said CMS spokesperson Gautier Hamel de Monchenault. \”We keenly anticipate further rich interactions with our theory colleagues so that we may learn more about this fascinating corner of the Standard Model.\””,”In examining the full LHC Run-2 dataset collected from 2015 to 2018, the ATLAS collaboration has now seen the same effect. The ATLAS data rejects models that ignore the formation of a quasi-bound-state with a significance of 7.7 sigma and determines the production cross section of the top quark-antiquark excess to be 9.0± 1.3 pb, in close agreement with CMS.”,”While there is no doubt that an unforeseen phenomenon is present in the LHC data, the challenge is to be certain of its underlying cause. An alternative or additional possibility to the formation of toponium could be, for example, the existence of a new particle with a mass close to twice that of the top quark which is produced in collisions between gluons and decays to a top quark-antiquark pair.”,”The conclusive interpretation of this new phenomenon will rely on accurate modeling of how quarks and gluons behave in the complex environment of high-energy proton-proton collisions, involving state-of-the art QCD calculations.”,”\”For a long time, it was considered experimentally unfeasible to measure this subtle effect at the LHC, since events close to the production threshold make up only a small fraction of the top-pairs produced and are difficult to spot in the data,\” said ATLAS spokesperson Stéphane Willocq.”,”\”However, thanks to the wealth of proton-proton data recorded during Run 2 of the LHC and thanks to advances in analysis techniques, this long-held assumption is now being overturned.\””,”If the toponium hypothesis is confirmed, its discovery would add a new twist to the story of quarkonia– quarkonium is a term for unstable states formed from pairings of heavy quarks and antiquarks of the same flavor. Charmonium (charm–anticharm) was discovered in 1974, sparking the \”November Revolution\” in particle physics, and bottomonium (bottom–antibottom) was discovered three years later, both at laboratories in the United States.”,”\”These impressive results from ATLAS and CMS prove that there is still much to learn about the Standard Model of Particle Physics at high energies,\” said CERN Director of Research and Computing, Joachim Mnich. \”They show that high-precision measurements, many of which were never thought possible at a hadron collider, can reveal remarkably subtle phenomena that deepen our understanding of nature.\””,”With the ongoing Run 3 of the LHC due to deliver significantly more data, the ATLAS and CMS collaborations are set to deepen the exploration of the strong force via top quark-antiquark interactions in the non-relativistic regime.”,”The work was accepted for publication in Reports on Progress in Physics.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tCERN\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник