Один шанс на триллион: на БАК впервые зафиксировали рождение топ-кварка, W- и Z-бозонов одновременно

На Большом адронном коллайдере (БАК) впервые зафиксировано крайне редкое явление, которое, по расчётам физиков, происходит примерно раз на триллион столкновений протонов. В ходе эксперимента была зарегистрирована одновременная генерация одного топ-кварка, W-бозона и Z-бозона — процесс, известный как tWZ-производство. За наблюдением стояла международная коллаборация CMS, работающая с одним из главных детекторов коллайдера.

Для понимания масштабов: каждый пучок протонов в БАК разгоняется почти до скорости света, и в момент столкновения высвобождается огромная энергия, позволяющая исследовать мельчайшие частицы и силы, действующие в природе. В подавляющем большинстве случаев такие взаимодействия приводят к появлению известных и относительно часто встречающихся частиц. Но tWZ-процесс — настоящий физический раритет, сродни нахождению иголки в сене, только если объём этого «сена» сравним со стадионом. Он происходит примерно один раз на триллион столкновений, и его обнаружение потребовало колоссальных вычислительных ресурсов и крайне чувствительной аппаратуры.

Сам по себе топ-кварк — самая тяжёлая из всех известных элементарных частиц. Он взаимодействует с Хиггсовским полем особенно сильно, что делает его ключевым объектом в исследованиях природы массы. W- и Z-бозоны, в свою очередь, являются носителями электрослабого взаимодействия — одной из четырёх фундаментальных сил, наряду с гравитацией, сильным и электромагнитным взаимодействиями. Совместное появление всех трёх частиц в одном событии предоставляет физикам уникальную возможность более глубоко изучить, как именно топ-кварк связан с этими силами и, возможно, обнаружить отклонения от предсказаний Стандартной модели — основной теории, описывающей структуру и взаимодействия всех известных элементарных частиц.

Однако зафиксировать столь редкий процесс — задача непростая. Проблема в том, что существует очень похожее и куда более частое явление, называемое ttZ-производством, при котором рождаются сразу два кварка — топ и анти-топ — вместе с Z-бозоном. Оно случается примерно в семь раз чаще и «зашумляет» данные, скрывая следы настоящего tWZ. Чтобы отделить искомые события от фона, команда CMS задействовала новейшие алгоритмы машинного обучения. Эти нейросетевые модели анализировали гигантские объёмы данных, выискивая характерные сигнатуры tWZ-событий — своеобразные отпечатки, по которым можно распознать нужные частицы среди всего прочего.

Полученный результат — не просто статистическая редкость. Он открывает путь к новым экспериментам, которые позволят протестировать границы применимости Стандартной модели и, возможно, обнаружить намёки на неизвестные ранее явления. Особенно интересен в этом контексте сам топ-кварк: из-за своей большой массы он может играть особую роль в механизме, благодаря которому элементарные частицы получают массу — так называемом механизме Хиггса. А значит, изучение таких процессов, как tWZ, может со временем приблизить нас к пониманию того, из чего на самом деле состоит наш мир на фундаментальном уровне.