Топ-кварк был впервые открыт более 30 лет назад на ускорителе Tevatron под Чикаго. С тех пор его свойства изучались в экспериментах LHC, включая измерения квантовой запутанности между топ-кварками и антикварками. Обычно топ-кварк распадается быстрее, чем может образоваться связанное состояние, но сотни миллионов пар топ-кварк–антикварк, производимые на LHC, создали достаточно большой объём данных для обнаружения редчайших явлений.

Первые признаки топония появились при поиске тяжёлых частиц, подобных бозону Хиггса, способных распадаться на топ-кварк–антикварк. Был зафиксирован неожиданный избыток событий с массой, близкой к удвоенной массе топ-кварка (~2 × 173 ГэВ/с²), что характерно для связанного состояния, а не нового фундаментального объекта. Детальные анализы CMS и эксперимента ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) подтвердили этот избыток в событиях, где оба топ-кварка распадались на лептоны — электроны или мюоны.

Новое исследование CMS использовало иной подход, изучая события, где один топ-кварк распадается на нижний кварк, заряженный лептон и нейтрино, а другой — на кварки, формирующие джеты частиц. «Выделение сигнала в этом канале распада было крайне сложным», — отмечает Отто Хиндрихс из Университета Рочестера (США), разработавший новую методику реконструкции столкновений с использованием методов искусственного интеллекта.

Вместо прямого восстановления массы пары топ-кварк–антикварк мы анализировали их относительную скорость. Если формируется связанное состояние, то относительная скорость частиц должна быть значительно меньше, чем при их независимом рождении

поясняет аспирант Ю-Хэн Ю

Эти методы оказались высокоэффективными. Зафиксированный избыток событий превысил 5 сигма — общепринятый критерий открытия. Результат обеспечивает независимое статистическое подтверждение существования топония.

«Топоний тяжелее самого массивного известного атомного ядра — оганессона (Z=118), что делает его самым массивным наблюдаемым связанным состоянием. Его открытие углубляет понимание сильного ядерного взаимодействия и способности связывать фундаментальные составляющие материи», — резюмирует Регина Демина, руководитель группы CMS в Университете Рочестера.