Начать этот рассказ, видимо, следует со свойств кварков. Считается, что протоны и нейтроны состоят из трех этих фундаментальных частичек. Существует также вероятность, что они образованы всего двумя – кварком и антикварком. В последнем случае частица именуется мезоном. Кварки, находящиеся внутри мезонов, протонов и нейтронов связываются посредством глюонов, которые являются носителями сильного ядерного взаимодействия, обладающего такой мощью, что ученым так до сих пор и не удалось зафиксировать свободный кварк – эти частицы, по всей видимости, крепко сидят внутри протонов и нейтронов при всех условиях, кроме самых экстремальных.
Теперь относительно частицы «X»: сегодня считается, что она состоит из четырех кварков, но как именно они расположены, никому не известно. Две основные гипотезы говорят о том, что они либо тесно сгруппированы в крошечном пространстве диаметром менее трети фемтометра, либо объединены в два мезона, образующих что-то вроде слабо связанной молекулы размером до пяти фемтометров. Для справки: протон, по всей видимости, имеет радиус около 0.84 фемтометра.
Перейдем к основной части истории. Частица «Х» была обнаружена не на Большом адронном коллайдере. Это случилось почти два десятилетия назад на детекторе «BELLE», находящемся в Японии. Однако до последнего времени все эксперименты сводились к столкновению электронов и позитронов, протонов и антипротонов, а также протонов друг с другом. Исследователи считают, что ключом к разгадке секретов частицы «X» станет воссоздание условий, существовавших сразу после Большого взрыва. Добиться этого посредством столкновения протонов невероятно сложно даже при очень высоких энергиях.
На БАКе подобные эксперименты также проводились, и именно они привели к обнаружению бозона Хиггса, получившего прозвище «частицы бога» (физики, кстати, этот «вульгаризм» очень не любят). Но в течение определенной части каждого года ученые, работающие на Большом адронном коллайдере, сталкивают не протоны, а нечто гораздо более тяжелое – свинец. Когда два иона этого химического элемента врезаются друг в друга, сотни протонов и нейтронов вступают в мгновенное взаимодействие, нагреваясь до более чем 2 триллионов градусов. Это в 100000 раз превышает температуру внутри солнечного ядра. Кварки и глюоны, которые обычно крепко держатся друг за друга внутри протонов и нейтронов, начинают терять свою связь и образуют так называемую «кварк-глюонную плазму».
Сегодня считается, что вся Вселенная находилась именно в этом состоянии в течение нескольких миллионных долей секунды после Большого взрыва. В это мгновение формировались частицы «X», которые тут же остывали, распадались и образовывали привычные нам протоны и нейтроны. Поначалу исследователи, работающие на БАК, не были уверены, что смогут идентифицировать хоть что-то в результате столкновений ионов свинца, так как параллельно формировалось множество других элементов, способных замаскировать присутствие частиц «Х». Огромной проблемой является также то, что последние распадаются столь быстро, что обнаружить их непосредственно совершенно невозможно. Ученые способны констатировать только их распад.
Применив алгоритмы нейронных сетей для выявления явных признаков распада частиц «X», ученые идентифицировали всего около 100 подобных случаев. Необходимое уточнение – из общей массы в 13 миллиардов столкновений ионов свинца. Вроде бы совсем немного, однако надо понимать, что это примерно в 10 раз чаще, чем при протонных коллизиях. Считается, что в ходе дальнейших экспериментов, с увеличением объема информации, ученые, наконец, смогут понять, из чего состоят эти частицы. Очень быстрый распад укажет на то, что это слабо связанные мезоны. При чуть более медленной дезинтеграции можно будет говорить о группе из четырех тесно связанных друг с другом кварков.
Полученных данных действительно пока слишком мало, чтобы делать какие-то выводы. Однако исследователи уже понимают, как обнаружить искомые частицы в кварк-глюонной плазме, и готовы делать это и дальше. БАК с 2018 года находится в стадии модернизации, но уже очень скоро заработает снова. Эксперименты с тяжелыми ионами запланированы на ноябрь 2022 года. Будем надеяться, что ученые смогут увидеть достаточное количество частиц «X», после чего определятся с их композицией. Возможно, на основании этого будет придумано и название для этих таинственных крупинок материи. То, что имеется, согласитесь, звучит хоть и загадочно, но не слишком солидно.
