В 2017 году на Большом адронном коллайдере протоны сталкивались с энергией 5,02 ТэВ. Детектор CMS записывал эти столкновения, и среди миллиардов событий физики выискивали редкий случай: рождение одного-единственного топ-кварка без его античастицы. Обычно топ-кварки появляются парами — кварк и антикварк вместе, как две стороны одной монеты. Но иногда природа делает исключение, и рождается лишь одна сторона.
Чтобы поймать такой случай, учёные искали события с одним электроном или мюоном и несколькими струями частиц, одна из которых выдавала своё происхождение от b-кварка. За 302 обратных пикобарна накопленной светимости (это как объём собранных данных) удалось измерить вероятность процесса. Оказалось, что одиночный топ-кварк рождается с сечением 17,6 пикобарна, а одиночный топ-антикварк — всего 6,6 пикобарна. Разница почти в три раза: природа явно предпочитает кварки антикваркам, и это давно известная асимметрия, связанная с устройством слабого взаимодействия.
Из этих чисел физики извлекли величину, которая показывает, насколько охотно топ-кварк участвует в слабых распадах. Получилось значение 0,92 с погрешностью около 0,1. Это отлично согласуется с предсказаниями Стандартной модели, рассчитанными с высокой точностью. Значит, пока всё идёт по плану, но более точные измерения на других энергиях могут вскрыть расхождения, которые укажут на новые частицы или силы.
Танец одиночного топ-кварка при энергии 5,02 ТэВ теперь записан впервые. Следующие шаги — ещё больше данных и другие энергии столкновений, чтобы проверить, не сбивается ли этот танец с предписанного теорией ритма.
как её написали авторы, на английском arXiv:2603.13592
The single top quark $$t$$-channel production cross section is measured in proton-proton collisions at the CERN LHC at $$\sqrt{s}$$ = 5.02 TeV, using data recorded with the CMS detector in 2017, corresponding to an integrated luminosity of 302 pb$$^{-1}$$, and resulting in the first CMS measurement of the process at that energy. Events with one electron or muon and two or more jets, among which at least one is identified as originating from a b quark fragmentation, are analyzed. The combined cross section of single top quark (tq) and single top antiquark ($$\mathrm{\bar{t}q}$$) production is $$\sigma_{\mathrm{tq+\bar{t}q}}$$ = 25.4$$^{+3.6}_{-3.5}$$ (stat) $$^{+4.2}_{-3.9}$$ (syst) $$\pm$$ 0.5 (lumi) pb. The individual cross sections are measured to be $$\sigma_{\mathrm{tq}}$$ = 17.6$$^{+2.8}_{-2.7}$$ (stat) $$^{+2.6}_{-2.4}$$ (syst) $$\pm$$ 0.3 (lumi) pb and $$\sigma_{\mathrm{\bar{t}q}}$$ = 6.6$$^{+2.4}_{-1.6}$$ (stat) $$^{+2.1}_{-2.5}$$ (syst) $$\pm$$ 0.1 (lumi) pb. Their ratio is measured to be $$\mathcal{R}_{\mathrm{t-ch}}$$ = 2.7$$^{+1.5}_{-0.8}$$ (stat) $$^{+1.3}_{-0.3}$$(syst). The absolute value of the Cabibbo$$-$$Kobayashi$$-$$Maskawa matrix element is found to be $$\lvert f_{\mathrm{LV}}V_\mathrm{tb}\rvert$$ = 0.92 $$\pm$$ 0.09 (exp) $$\pm$$ 0.01 (thy). The measurements are in good agreement with the standard model predictions at next-to-next-to-leading order accuracy in quantum chromodynamics.
Топ-кварк — самая тяжёлая из известных элементарных частиц: он тяжелее атома золота, хотя сам не имеет размера.