Впервые зафиксировано рождение одиночного t-кварка вместе с W- и Z-бозонами

Событие, зарегистрированное детектором CMS, с сигнатурой, соответствующей рождению t-кварка, W-бозона и Z-бозона (tWZ). t-кварк распадается на b-кварк и W-бозон; b-кварк порождает струю (джет), а W-бозон распадается на две струи. Струи показаны жёлтыми конусами. Исходный W-бозон распадается на мюон и нейтрино (не видно). Z-бозон распадается на два мюона. Мюоны показаны красными линиями. Автор: коллаборация CMS

Эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАК) ежедневно фиксируют редкие события, но некоторые из них исключительны, как этот последний результат коллаборации CMS. Впервые зафиксировано рождение одиночного t-кварка вместе с W- и Z-бозонами — чрезвычайно редкий процесс, происходящий лишь один раз на триллион протонных столкновений. Обнаружение этого события в данных БАК подобно поиску иголки в стоге сена размером с олимпийский стадион.

Рождение t-кварка, W-бозона и Z-бозона, известное как tWZ-процесс, открывает новое окно для понимания фундаментальных сил природы. Тщательно изучая tWZ-процесс, физики могут исследовать, как t-кварк взаимодействует с электрослабой силой, переносчиками которой являются W- и Z-бозоны.

Кроме того, t-кварк — самая тяжёлая из известных фундаментальных частиц, а значит, он сильнее всех взаимодействует с полем Хиггса. Таким образом, изучение tWZ-процесса может дать более глубокое понимание механизма Хиггса. Оно также может указать на признаки новых явлений и физики за пределами Стандартной модели.

Однако наблюдать tWZ-процесс непросто. Это не только один из самых редких процессов Стандартной модели, которые можно наблюдать на БАК, но и очень сложный для анализа. Этот процесс очень похож на другой, известный как ttZ-процесс, при котором рождаются t-кварк и t-антикварк вместе с Z-бозоном. ttZ-процесс происходит примерно в семь раз чаще, чем tWZ, что означает наличие большого количества фонового шума, который исследователи должны идентифицировать.

Вид на открытый детектор CMS, один из четырёх основных экспериментов на Большом адронном коллайдере. Автор: ЦЕРН

«Из-за редкости и сходства с ttZ-процессом наблюдение tWZ-процесса требует передовых методов анализа, включая современные технологии машинного обучения», — говорит Альберто Бельведере, исследователь из коллаборации CMS в DESY.

Используя свой алгоритм машинного обучения, исследователи смогли отделить сигнал от tWZ-процесса от фоновых данных. Результаты доступны на сервере препринтов arXiv.

Коллаборация CMS обнаружила, что скорость tWZ-процесса оказалась немного выше, чем предсказывает теория. Будущие данные и анализ покажут, является ли это просто статистической флуктуацией или же это может быть первым намёком на нечто, выходящее за рамки известных законов физики.

«Если в процесс вовлечены неизвестные взаимодействия или частицы, наблюдаемое отклонение между измеренной скоростью [tWZ-процесса] и предсказанием будет быстро расти с увеличением энергий вылетающих частиц — эффект, уникальный для tWZ-процесса», — поясняет Роман Коглер, исследователь из коллаборации CMS в DESY.

На данный момент коллаборация CMS отметила первое наблюдение явления настолько редкого, что оно происходит лишь раз на триллион протон-протонных столкновений. Это ещё одно напоминание о способности БАК раскрывать самые неуловимые секреты природы.

Больше информации: Observation of tWZ production at the CMS experiment, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2510.19080

Источник: CERN