15 марта 2021

Получено указание на рождение экзотической частицы X(3872) в столкновениях ядер свинца

Википедия Детектор CMS Большого адронного коллайдера Википедия

В марте 2021 года эксперимент LHCb, проводимый на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил новую экспериментальную работу, в которой объявил, что для описани

В феврале 2021 года эксперимент CMS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), сообщил об указании на рождение экзотической частицы X(3872) во взаимодействиях ультрарелятивистских ядер свинца. Причем, если величина измеренного выхода образования экзотического адрона подтвердится, то окажется, что интенсивность рождения X(3872) в ядро-ядерных соударениях в пять раз выше, чем в протон-протонных.

Субатомные частицы (в том числе и экзотические с необычными адронными свойствами), которые рождаются в pp-взаимодействиях, должны появляться и при взаимодействии ядер. При этом относительные вероятности их появления могут измениться из-за эффектов, возникающих за счет ядерного окружения, например, из-за образования кварк-глюонной плазмы (КГП). Обычно изменение вероятности рождения рассматривают как свойство, помогающее понять свойства среды, образовавшейся в результате взаимодействия ядер. Однако, если речь идет о чем-то экзотическом, то сама образовавшаяся среда может стать фактором, позволяющим пролить свет на внутреннее устройство частицы.

Первой достоверно обнаруженной экзотической частицей было состояниеX(3872). Эта частица была открыта в 2003 году экспериментом Belle. Обнаруженное состояние характеризуется, во-первых, очень большим временем жизни – в прошлом году экспериментаторам удалось впервые измерить значение её естественной ширины (Г3872 порядка 1 МэВ). Во-вторых — массой, очень близкой к сумме масс пары частиц с открытым очарованием DD*. Сначала X(3872) приняли за представителя семейства чармониевых резонансов (возбужденные состояния системы двух очарованных кварков cc). Однако, практически сразу же стало понятно, что для этой частицы нет места в спектре чармония, и для нее требуется какая-то другая теоретическая интерпретация. Вероятность рождения X(3872) в ядро-ядерных взаимодействиях должна сильно зависеть от внутреннего устройства этой частицы. Соответственно, теоретические модели, претендующие на описание внутреннего устройства, должны «считаться» с такими измерениями.

Рождение X(3872) на БАК в протон-протонных взаимодействиях было зафиксировано еще на первом этапе работы ускорителя экспериментами ATLAS, CMS и LHCb. И вот недавно CMS сообщил о том, что видит указание на рождение X(3872) при взаимодействии ядер свинца.

В новой работе экспериментаторы приводят спектры масс для системы отобранных событий типа π+π–J/ψ (см. рисунок 1). При этом такие спектры построены как для всех отобранных событий-кандидатов, так и для событий, в которых вероятно рождение резонанса в распаде прелестных адронов.

Особенностью регистрации π+π–J/ψ-канала является то, что в нем всегда вместе с X(3872) проявляется и другой известный (можно сказать «обыкновенный») чармониевый резонанс – ψ(2S). Поэтому отношение вероятностей появления этих двух частиц является очень удобной для измерения величиной, так как многие систематические эффекты сокращаются. Сюрпризом, который преподнесло новое измерение, явилось то, что силы сигналов, соответствующих X(3872) и ψ(2S), практически одинаковы. При этом стоит уточнить, что фоновые условия для X(3872) чуть хуже, чем для ψ(2S) и поэтому экспериментаторы сообщают лишь об указании на проявление сигнала. Статистическая значимость указания превышает четыре стандартных отклонения. Полученное отношение выходов для X(3872) и ψ(2S) представлено на рисунке 2. То, что отношение выходов X(3872) и ψ(2S) может сильно зависеть от количества частиц, рожденных во взаимодействиях протонов, – не новость. В прошлом году этот экспериментальный феномен установил эксперимент LHCb.

Подробнее о результатах CMS можно узнать из препринта публикации. Следует отметить, что это измерение является лишь первым шагом в исследованиях феномена КГП – в дальнейшем планируется использование экзотических пробников. Так, физическая программа модернизированного эксперимента ALICEвключает подобные исследования. Как видно, частица X(3872) находится в фокусе внимания всех крупных экспериментов БАК: CMS, ATLAS, LHCb и ALICE.

Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе этих экспериментов.