Детектор CMS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН проанализировал столкновения протонов и не обнаружил никаких доказательств внутренней структуры кварков. В исследовании использовались данные второго этапа работы БАКа и тестировались масштабы до 10⁻²⁰ метров. Результаты подтверждают текущую модель физики элементарных частиц.
Кварки образуют протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, составляют обычную материю. Теория описывает их как точечные частицы, не имеющие более мелких частей. Предыдущие эксперименты подтвердили эту точку зрения, но поиск более глубоких слоев продолжается. Новое исследование расширяет границы наблюдения.
Резерфорд руководил нынешним методом исследования.
Эксперимент следует принципу, использованному Эрнестом Резерфордом в 1911 году. Он бомбардировал золотую фольгу альфа-частицами и наблюдал углы рассеяния. Большинство из них прошли насквозь, но некоторые отрикошетили. Это выявило атомное ядро, сконцентрированное в центре.
На БАКе столкновения протонов разбивают эти протоны на кварки. Кварки выходят в виде струй частиц. CMS измеряет распределение углов между этими струями. Если бы кварки имели внутреннюю структуру, форма джетов менялась бы при определенных энергиях. Собранные данные не показывают такого значительного отклонения.
Команда исследовала более миллиона событий. Распределение углов соответствует предсказаниям Стандартной модели для точечных частиц. Небольшие различия появляются в диапазонах высоких масс, но находятся в пределах статистической и систематической неопределенности.
Для анализа используется 138 фб⁻¹ данных при энергии 13 ТэВ.
Исследование основано на столкновениях при энергии 13 тераэлектронвольт. Интегрированная яркость достигает 138 фб⁻¹. Исследователи внесли поправки на эффекты детектора и сравнили их с расчетами пертурбативной КХД в порядке NNLO, а также с электрослабыми поправками NLO.
- Нормированные угловые распределения в различных диапазонах масс ди-джетов.
- Прямое сравнение со сценариями составных кварков
- Ограничения на контактные взаимодействия между кварками
- Ограничения на дополнительные измерения, квантовые черные дыры и посредники темной материи
Самые строгие ограничения до сих пор исключают составные кварки выше определенных энергетических масштабов. В эталонной модели с левыми кварками предел конструктивной интерференции достигает 37 ТэВ.
Кварки остаются фундаментальными блоками
Физика уже пережила несколько революций. Атомы были неделимы до открытия ядра. Протоны и нейтроны казались элементарными, пока в 1968 году в SLAC не было подтверждено существование кварков. Теперь CMS проводит испытания на расстояниях, в тысячу раз меньших размера протона.
Даже без признаков субструктуры ученые не исключают возможности еще меньших масштабов. Текущий эксперимент ограничивает конструкции размером более 10⁻²⁰ м. Это эквивалентно примерно одной сотой тысячной диаметра протона.
Результат также ограничивает другие явления, выходящие за рамки Стандартной модели. Аномальные взаимодействия глюонов, аксионоподобных частиц и медиаторов темной материи имеют более жесткие ограничения. Анализ охватывает несколько теоретических моделей в одной публикации.
Будущее БАК принесет больше точности
Третий этап работы БАКа уже предполагает сбор новых данных. Модернизация HiLumi LHC, запланированная на 2030 год, резко увеличит частоту столкновений. Имея больше статистики, исследователи уменьшат неопределенность в измерении угла рассеяния.
Более точные измерения могли бы выявить небольшие отклонения или дополнительно подтвердить точечное поведение кварков. CMS планирует продолжить поиск признаков новой физики в распределении струй.
Обычная материя вокруг нас зависит от этих частиц. Любое открытие о ее составе повлияет на понимание Вселенной, включая такие вопросы, как темная материя и объединение сил. На данный момент кварки сохраняют свое положение элементарных частиц.
Ученые подчеркивают, что отсутствие доказательств не доказывает окончательное отсутствие. Будущие эксперименты с более высокими энергиями или другими методами позволят исследовать еще меньшие расстояния. БАК остается основным инструментом на этом фронтире.