Топ-кварк - найважча з відомих фундаментальних частинок і одна з найзагадковіших. Він тісно пов'язаний з бозоном Гіггса, який (так вважається) надає масу іншим частинкам, а також з бозонами W і Z, носіями електрослабкої взаємодії.
Вивчаючи, як топ-кварк взаємодіє з цими частинками, фізики сподіваються розкрити деякі загадки стандартної моделі фізики елементарних частинок, теорії, що описує закони природи на найменших масштабах.
Один із вірогідних напрямків досліджень - проаналізувати, яким чином утворюється “одинокий” топ-кварк у високоенергетичних зіткненнях протонів на Великому адронному колайдері.
За теорією, один такий топ-кварк утворюється разом з W- або Z-бозоном, одночасно випромінюючи квант світла, фотон. Процес вельми рідкісний та занадто чутливий до електрослабких властивостей квантових об'єктів, однак він демонструє теоретичні провали стандартної моделі.
Нещодавно фізики з колаборації ЦЕРН ATLAS вперше спостерігали за народженням одного топ-кварка і фотона в протон-протонних зіткненнях на колайдері. Відкриття натякає на існування невідомих частинок, які потенційно розв'язують деякі проблеми стандартної моделі.
Крім того, науковці проаналізували великий масив даних, зібраних детектором ATLAS, одному з чотирьох основних експериментальних інструментів на ВАК. Вони відібрали події, де фігурують всі частинки, що виникають при створенні одного верхнього кварка і фотона: фотон, кластер адронів (складених частинок з кварків), заряджений лептон (електрон або мюон). Врахували й енергетичні втрати внаслідок вірогідного “прольоту” нейтрино.
Для отримання більш точних результатів були використані алгоритми машинного навчання, - таким чином вчені сподіваються ідентифікувати змодельовані події, а також визначити швидкість всього процесу генерації нових частинок.
Отже, на все про все знадобилась ймовірність 688 фемтобарн, тобто з загального масиву в мільярд протон-протонних зіткнень тільки 688 подій призводять до утворення одного топ-кварка й фотона. Цей результат має статистичну значущість 9,8 сигми, а відтак вкрай малоймовірно пов'язаний з випадковою флуктуацією даних.
Цікаво, що експериментатори отримали швидкість приблизно на 30%-40% вищу за ту, що передбачається стандартною моделлю, 515 фемтобарн. Невизначеність вимірювання становить близько 10%, що свідчить про певну суперечність між прикладними даними та безпосередньо теорією. Попередній аналіз, проведений CMS Collaboration ЦЕРНу, також продемонстрував, що частинки виникають частіше, ніж прогнозується.
Пояснення крутиться навколо двох сценаріїв: або виявлена розбіжність вказує на “нову фізику”, що виходить за межі стандартної моделі; або результати дослідження пов'язані з невідомою систематичною помилкою у вимірюваннях.
Брак теоретичних розрахунків також не потрібно відкидати. Тож аналогічні експерименти ми побачимо в найближчому майбутньому.
