Глубже кварков: БАК проверил структуру материи на экстремальных масштабах и не нашёл «внутреннего слоя»

Эксперимент на Большом адронном коллайдере подтвердил Стандартную модель и ужесточил ограничения на составность кварков, дополнительные измерения и квантовые чёрные дыры

Международная команда учёных, работающая в рамках коллаборации CMS на Большом адронном коллайдере (БАК), провела самое точное на сегодняшний день исследование угловых распределений диджетов — пар частиц, образующихся при столкновении протонов. Результаты эксперимента подтвердили предсказания Стандартной модели физики элементарных частиц и установили новые ограничения на экзотические явления, такие как составность кварков, дополнительные измерения и квантовые чёрные дыры.

Кварки — фундаментальные частицы, которые, согласно современным представлениям, не имеют внутренней структуры. Они являются «строительными блоками» протонов и нейтронов, из которых состоит атомное ядро. Однако история науки показывает, что структуры, ранее считавшиеся элементарными, часто оказывались сложными системами. Например, атомы были открыты как «неделимые частицы материи», но позже выяснилось, что они состоят из ядра и электронов. Исследования на БАК продолжают эту традицию, проверяя, не состоят ли кварки из ещё более мелких частиц.

В ходе эксперимента на детекторе CMS (Compact Muon Solenoid) сталкивались два пучка протонов с энергией 13 ТэВ. При столкновении протоны распадались на свои составляющие — кварки и глюоны. Эти частицы разлетались, образуя джеты — узкие потоки частиц. Учёные измеряли углы между этими джетами и анализировали их распределение с помощью переменной χ_dijet, которая чувствительна к отклонениям от предсказаний Стандартной модели. Ранее такая высокая точность расчётов для подобных процессов была недоступна, что не позволяло проводить настолько строгие проверки Стандартной модели.

Учёные не просто искали новые частицы, они использовали подход SMEFT (Effective Field Theory). Это позволяет искать «отпечатки новой физики», даже если сами частицы слишком тяжелы, чтобы их можно было породить на коллайдере. Физики проверили, не ведут ли себя уже известные частицы (например, глюоны) «необычно из-за влияния чего-то скрытого».

Данные, собранные во время второго сеанса работы БАК, показали, что угловые распределения диджетов в целом соответствуют предсказаниям квантовой хромодинамики (КХД) — теории, описывающей взаимодействия кварков и глюонов. Однако в диапазоне инвариантных масс диджетов от 2.4 до 4.8 ТэВ и выше 6 ТэВ были зафиксированы небольшие отклонения. Эти отклонения могут быть статистическими флуктуациями, но также могут указывать на физику за пределами Стандартной модели.

Исследование установило самые строгие на сегодняшний день ограничения на экзотические явления:

• Составность кварков. Если кварки состоят из более мелких частиц, то их взаимодействия должны проявляться на определённых энергиях. Эксперимент исключил такие взаимодействия до масштабов 17–37 ТэВ.
• Квантовые чёрные дыры. Эти гипотетические объекты, предсказываемые теориями с дополнительными измерениями, исключены для масс ниже 8.5 ТэВ.
• Дополнительные измерения. Виртуальный обмен гравитонами, предсказываемый моделями с дополнительными измерениями, исключён до 13.4 ТэВ.
• Аксионоподобные частицы и аномальные связи. Ограничены параметры аксионоподобных частиц и триплетно-глюонных взаимодействий.

Результаты эксперимента подтверждают устойчивость Стандартной модели на энергиях, превышающих 13 ТэВ, и предоставляют высокоточные данные для калибровки теоретических моделей. Это исследование также подводит итог огромному массиву данных, собранных во время второго сеанса работы БАК, и закладывает основу для будущих экспериментов с повышенной светимостью (High-Luminosity LHC).

Работа устанавливает самые жесткие в мире ограничения на существование экзотики, фактически закрывая многие смелые теории, которые предсказывали «новую физику» прямо за порогом текущих энергий. Будущие эксперименты позволят ещё точнее измерить угловые распределения и продолжить поиск признаков новой физики.