1 сентября 2020

В ЦЕРН открыты новые тетракварки

ЦЕРН ЦЕРН

В ЦЕРН сообщили об обнаружении первых тетракварков с открытым очарованием. Частицы, получившие название X(2900), были открыты в процессе анализа данных, собранных учеными коллаборации LHCbна Большом адронном коллайдере в ЦЕРН.

В рамках эксперимента LHCb в ЦЕРН ученые неоднократно обнаруживали экзотические комбинации кварков — элементарных частиц, которые объединяются и образуют сложные частицы, такие как более знакомые протоны и нейтроны. В частности, LHCb наблюдал несколько тетракварков, которые, как следует из названия, состоят из четырех кварков (или, скорее, из двух кварков и двух антикварков). Наблюдение этих необычных частиц помогает ученым расширить знания о сильном взаимодействии, одной из четырех известных фундаментальных сил природы. 12 августа на онлайн семинаре ЦЕРН коллаборация LHCb объявила о первых признаках наблюдения совершенно нового типа тетракварка с массой 2,9 ГэВ/с2. Это первая подобная частица лишь с одним очарованным кварком.

Впервые существование кварков было предсказано в 1964. С тех пор учеными были открыты шесть ароматов кварков (и их антикварковых двойников): верхний, нижний, очарованный, странный, прелестный, истинный. Поскольку кварки не могут существовать в свободном виде, они объединяются в частицы: три кварка или три антикварка образуют «барионы», как протон, а один кварк и один антикварк образуют «мезоны».

Детектор LHCb на Большом адронном коллайдере был создан для изучения B-мезонов, содержащих либо b-кварк, либо b-антикварк. Сразу же после образования в протон-протонных столкновениях на БАК эти тяжелые мезоны трансформируются — или «распадаются» — на различные, более легкие частицы, которые могут претерпевать дальнейшие преобразования. Ученые коллаборации LHCb увидели признаки существования нового тетракварка в одном из таких распадов. Положительно заряженный B-мезон распадается на положительный D-мезон, отрицательный D-мезон и положительно заряженный каон: B+→D+D—K+. На данный момент, на текущих данных детектора LHCb исследователи в общей сложности изучили около 1300 кандидатов этого распада.

Устоявшаяся кварковая модель предсказывает, что некоторые пары D+D− в этом распаде могут быть результатом образования промежуточных частиц, таких как ψ(3770) мезон, которые проявляются лишь на мгновение: B+→ψ(3770)K+→D+D−K+. Однако теория не предсказывает мезоноподобных промежуточных состояний, приводящих к паре D−K+. Участники эксперимента LHCb были удивлены, увидев в своих данных четкую область, соответствующую промежуточному состоянию, преобразующемуся в пару D−K+ с массой около 2,9 ГэВ/с2, что в три раза выше массы протона.

Область с новым тетракварком, распадающимся на D− и K+ при массе 2,9 ГэВ/с2. Изображение © коллаборация LHCb / ЦЕРН

Полученные данные были интерпретированы как первое указания на существование нового экзотического состояния четырех кварков: очарованного антикварка, верхнего и нижнего кварков и странного антикварка (c̄uds̄). Все тетракварковые состояния, наблюдаемые коллаборацией ранее, имели одну пару очарованных кварка и антикварка, в результате чего образовывался нулевой (cкрытый) «очарованный аромат». Новое наблюдаемое состояние — это первый случай обнаружения тетракварка с единственным очарованным кварком, который получил название тетракварк «с открытым очарованием».

«Когда мы впервые увидели превышение в наших данных, мы решили, что произошла ошибка,» — говорит Дэн Джонсон, руководитель анализа данных в эксперименте LHCb. «Спустя годы их анализа мы признали, что в них действительно есть что-то удивительное!»

Почему это важно? До сих пор ученые доподлинно не установили, что именно тетракварк представляет из себя на самом деле. Некоторые теоретические модели придерживаются идеи о том, что тетракварки состоят из пар различных мезонов, временно связанных вместе наподобие «молекулы». Однако в рамках других моделей принято считать их единой связанной единицей из четырех частиц. Определение новых типов тетракварков и измерение их свойств, таких как спин (собственный момент импульса) и четность (их поведения при зеркальных отражениях координат частицы) поможет составить более четкое представление об этих экзотических обитателях субатомного уровня. Г-н Джонсон добавил: «Это открытие позволит также подвергнуть стресс-тесту наши теории в совершенно новой области».

Хотя наблюдение коллаборации LHCb является важным первым шагом, потребуется еще больше данных для проверки природы структуры, наблюдаемой в B+ распаде. Более того, коллаборация LHCb намеревается провести проверку своего открытия независимую от других экспериментов, посвященных физике b-кварков, например, от Belle II. А пока БАК продолжит предоставлять новые интересные результаты экспериментаторам и теоретикам для изучения.