Ученые, работающие на Большом адронном коллайдере, ищут гипотетическую частицу, которая может претворить в жизнь Теории Великого объединения и расширить границы понимания Вселенной в ее самых малых масштабах.

Вещество состоит из элементарных частиц, и Стандартная модель утверждает, что существует два семейства частиц: лептоны и кварки. Они в корне отличаются друг от друга зарядом и квантовыми числами, но обладают одинаковым числом поколений.

Однако есть теории, выходящие за рамки Стандартной модели, включая некоторые Теории Великого объединения. Они предсказывают, что на высоких энергиях лептоны и кварки сливаются воедино, формируя лептокварки. Лептокварки предлагаются в теориях, стремящихся объединить сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия.

Такие «объединения» не редкость в физике. Электричество и магнетизм были объединены элегантными формулами Максвелла в одно целое — электромагнетизм — в XIX веке. В случае лептокварков считается, что эти гибридные частицы обладают свойствами и кварков, и лептонов, а еще тем же числом поколений. Это не только позволило бы им «делиться» на два типа частиц, но и позволило бы лептонам преобразовываться в кварки — и наоборот. Действительно, аномалии, зарегистрированные в эксперименте LHCb, а также измерения свойств B-мезонов, полученные в экспериментах Belle и BaBar, потенциально можно объяснить существованием таких гипотетических частиц.

Стандартная модель разделяет элементарные частицы вещества на два отдельных семейства / © CERN

Если лептокварки реальны, то они очень тяжелые и быстро преображаются — или «распадаются» — в более стабильные лептоны либо кварки. Предыдущие эксперименты на Протонном суперсинхротроне и Большом электрон-позитронном коллайдере в ЦЕРН, ускорителе HERA в DESY и Тэватроне в Фермилаб искали распады на частицы первого и второго поколений. Поиски лептокварков третьего поколения (LQ3) впервые провели на Тэватроне, а теперь этим займутся на Большом адронном коллайдере (БАК).

Так как лептокварки трансформируются в лептоны и кварки, исследователи БАК ищут контрольные сигнатуры в распространении этих «продуктов распада». В случае лептокварков третьего поколения лептон может быть τ (тау) или ντ (тау-нейтрино), а кварк — верхним или нижним.

В недавней работе представлены данные, полученные в 2016 году при столкновениях на мощности в 13 ТэВ коллаборации Большой мюонный соленоид (CMS) на БАК. В статье описано, как каждый полученный LQ3 при столкновениях изначально преображался в пару из τ-лептона и верхнего кварка.

Так как ускорители одновременно производят частицы и античастицы, на CMS искали признаки присутствия пар лептокварк — антилептокварк в событиях столкновений, содержащих остатки верхнего кварка, антиверхнего кварка, τ-лептона и τ±лептона (антитау-лептона). Теперь, так как лептокварки никогда ранее не регистрировали, а их свойства остаются тайной, для их поисков физики полагаются на изощренные вычисления на основе известных параметров. Эти параметры включают энергию столкновений и ожидаемые фоновые уровни, ограниченные возможными значениями массы и спина гипотетической частицы. При помощи этих вычислений ученые способны рассчитать, сколько лептокварков могло быть произведено в определенном наборе данных протон-протонных столкновений и сколько из них могли преобразиться в конечные продукты, которые можно найти при помощи детекторов.

«Лептокварки стали одной из самых любопытных идей для расширения наших вычислений, так как они могут объяснить некоторые наблюдаемые аномалии. На БАК мы прикладываем все усилия, чтобы либо доказать, либо исключить их существование», — рассказывает Роман Коглер, физик CMS, работавший над этим исследованием.

После просеивания событий столкновений в поисках конкретных свойств CMS не увидел избытка данных, который бы мог указать на существование лептокварков третьего поколения. Так, ученые пришли к выводу, что любой LQ3, преобразующийся в пару из верхнего кварка и τ-лептона, должен появляться по крайней мере при массе в 900 ГэВ или в пять раз тяжелее верхнего кварка — самой тяжелой частицы, которую удалось наблюдать.

Ограничения массы лептокварков третьего поколения, поставленные CMS, — пока что наиболее жесткие. CMS также искал LQ3, преображающиеся в τ-лептон и нижний кварк, и сделал вывод, что такие лептокварки должны обладать массой по крайней мере в 740 ГэВ. Однако это результат изучения всего лишь части данных БАК на 13 ТэВ, полученных в 2016 году. В дальнейших поисках на CMS и ATLAS примут во внимание данные 2017-го, а также те, которые получат в 2018-м. Ученые гарантируют, что БАК и дальше сможет испытывать теории о фундаментальной природе Вселенной.