Измерена вероятность распада частицы Ξс0

Эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), опубликовал новую экспериментальную работу, в которой впервые измерил вероятность распада Ξс0→π−Λc+. Данный процесс интересен тем, что в составе с-адрона распадается не очарованный, а странный кварк (прим: словами "очарование" и "странность" в данном случае называются характеристики частиц, сохраняющиеся при определённых взаимодействиях).

Адронами называют частицы, состоящие из кварков. Ароматы (типы) кварков, из которых состоит тот или иной адрон, характеризуют его — на их основе адронам можно приписать квантовые числа. Эти характеристики сохраняются в процессах, протекающих под действием сильного и электромагнитноговзаимодействий, но могут изменяться в процессах, которыми управляет слабое взаимодействие. К такого рода числам относят:

• изотопический спин и проекцию изотопического спина – числа, зависящие от того, сколько в составе адрона легких u-, анти-u (u)-, d- и d- кварков;
• странность, возникающая, если в составе адрона есть s- или s- кварки (масса этих частиц (ms) порядка 100 МэВ);
• очарование, связанное с c- и c- кварками (mс порядка 1000 МэВ);
• прелесть – b- и b- (mb порядка 4500 МэВ).

Например, Ξс0 барион ({dsc}-состояние) обладает определенным изоспином и проекцией изоспина, странностью и очарованием. Другой пример — Ξb– барион ({dsb}-состояние), для которого квантовое число очарование равно нулю, зато присутствует ненулевая прелесть.

Для основных состояний очарованных адронов (таких частиц, которые могут распадаться только под действием слабых сил) характерны распады с изменением очарования. Однако, в случае очарованных барионов типа Ξс, энергетически допустим и переход с сохранением очарования. Например, такой: Ξс0→π−Λc+. На уровне кварковых диаграмм такие переходы описываются либо при помощи распада s-кварка (процесс s→udu), либо при помощи процесса слабого рассеяния (cs→cd). Соответствующие кварковые диаграммы приведены на рисунке. Для Ξb– барионов возможен подобный распад с сохранением прелестного квантового числа. Однако, из-за структуры слабого взаимодействия, связанной с отсутствием в первом порядке теориинейтральных токов, изменяющих аромат, (англ. flavor changing neutral currents), ощутимый вклад дает только диаграмма с распадом s-кварка. Поэтому сравнение относительных вероятностей распадов для очарованных и прелестных барионов поможет выделить вклад обменной диаграммы.

В 2020 году эксперимент LHCb выпустил научную статью, посвященную измерению вероятности распада Ξс0→π−Λc+. Анализ длился довольно долго. Данный распад был обнаружен на LHCb в 2014 году группой анализа данных НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ в данных, набранных в 2011-2012 годах в ходе первого этапа работы БАК при энергиях взаимодействующих протонов 7 и 8 ТэВ. К сожалению, критерии отбора данных, доступные на тот момент, позволяли лишь увидеть сигнал и понять его природу, однако не позволяли точно рассчитать эффективность его регистрации, что затормозило анализ. Тогда же, в 2014 году, эксперимент Belle также показал, что видит сигнал от распада Ξс0→π−Λc+, однако измерений вероятности проведено не было.

Измерение вероятности распада, о которой сообщает в своей работе LHCb, проводилось для данных, накопленных в 2017-2018 годах при энергии 13 ТэВ. Отбор с применением мультивариантных методов позволил выделить 6320 ± 230 событий-кандидатов для этого процесса (см. рисунок). Рядом с пиком, соответствующим распаду Ξс0, расположен еще один сигнал, соответствующий распаду Σс0→π−Λc+ (рис. 2). Этот распад идет намного более интенсивно, так как за него отвечает сильное взаимодействие. Он происходит преимущественно в точке взаимодействия протонов. Однако, эту фоновую составляющую можно сильно уменьшить, потребовав, чтобы в события-кандидаты входили только те частицы, которые распались на некотором отдалении от точки протон-протонного взаимодействия.

Второй причиной, по которой осложнялось измерение вероятности данного распада, было отсутствие «подходящего» калибровочного канала распада. В работе LHCb физики обошли эту проблему двумя путями:

проведя измерения относительно канала распада Λс+→pK−π+, при этом, использовав для отношений функций перехода f(Ξс0)/f(Λc+), известное отношение f(Ξb–)/f(Λb0). Функциями перехода называют вероятность того, что очарованный кварк, родившийся в том или ином процессе, превратится (адронизуется) в частицу определенного типа. Равенствоf(Ξс0)/f(Λc+) = f(Ξb–)/f(Λb0) можно получить из предположения о симметрии процессов адронизации относительно аромата тяжелого кварка;
измерив вероятность исследуемого распада относительно канала распадаΞс+→pK−π+ и использовав предположение о том, что f(Ξс0)/f(Ξc+)=1, базирующееся на примерном равенстве масс u- и d- кварков.

Вероятность распада, полученная в результате проведения анализа данных, составила B(Ξс0→π−Λc+) = (0.55 ± 0.02стат. ± 0.18сист.)×10^−2.

В заключение следует отметить, что сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента LHCb. Сотрудники Отделения физики высоких энергий Института работают в составе группы анализа данных LHCb, занимающейся рождением и распадами очарованных адронов.