В зоопарке элементарных частиц пополнение. Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), Новосибирский государственный университет (НГУ), Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова НИЦ «Курчатовский институт» (ИТЭФ) и др., объявила об открытии новой частицы – экзотического тетракварка Tcс+. Частица сильно выделяется среди собратьев и представляет собой новую форму материи. Это единственный известный науке дважды очарованный тетракварк, то есть, содержащий сразу два очарованных кварка, но не имеющий в своем составе очарованных антикварков. Кроме того, это рекордсмен-долгожитель – время его жизни примерно в 10-500 раз больше частиц с похожей массой. Результаты были представлены на European Physical Society conference on high energy physics 2021external link, opens in a new tab, а также опубликованыexternal link, opens in a new tab на сайте ЦЕРН.
Тетракварк – это экзотическая элементарная частица, адрон, состоящий из двух кварков и двух антикварков. Экзотическими тетракварки называют, потому что изначально считалось, что адроны могут состоять или из пары кварк-антикварк (такой адрон называется мезоном), или из трех кварков (в этом случае адрон называется барионом; барионами являются, например, протон или нейтрон). Барионов и мезонов известно много, и они хорошо изучены. Однако более 50 лет назад было сделано предположение, что существуют адроны, состоящие из четырех и даже пяти кварков – тетракварки и пентакварки. На данный момент экспериментально уже обнаружено 4 пентакварка и около 20 тетракварков.
В названии нового тетракварка Tcс+ буква «T» означает, что это тетракварк, «cс» – что он содержит два очарованных кварка (от «charm»), а общий положительный заряд говорит о том, что частица включает в себя также анти-u-кварк и анти-d-кварк.
«Частица обладает уникальными свойствами и фактически представляет собой новую форму материи, – пояснил участник коллаборации LHCb, заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН, академик РАН Александр Бондарь. – c-кварки, входящие в новый тетракварк, относительно тяжелые: каждый обладает массой в 1,5 массы протона. Частица имеет положительный заряд (+1) и массу приблизительно 3,875 ГэВ».
Участник коллаборации LHCb, старший научный сотрудник ИТЭФ, кандидат физико-математических наук Иван Беляев отметил, что известные науке тетракварки могут включать в себя различную комбинацию кварков, но их объединяет то, что в них всегда содержится очарованный кварк и очарованный антикварк.
«А Tcс+ содержит два очарованных кварка и два легких антикварка. Он принадлежит совершенно новому семейству частиц, так как он дважды очарованный. Все известные нам ранее тетракварки имели скрытое очарование – в их составе есть очарованный кварк и очарованный антикварк», – прокомментировал он.
«Ширина частицы (или обратная величина времени жизни в энергетических единицах измерения), – пояснил Александр Бондарь, – не превышает пол МэВа, что само по себе необычно для такого сложноустроенного и тяжелого образования. Мы уверены, что именно наличие двух тяжелых кварков в такой системе принципиально важно для того, чтобы эта система была достаточно устойчивой и долгоживущей. В частности, есть уверенность, что если c-кварки (очарованные кварки) заменить на b-кварки (прелестные кварки), то такая частица будет жить много дольше. Точнее, она будет стабильна для сильных и электромагнитных взаимодействий и распадаться только за счет слабого взаимодействия. Время жизни такой системы становится уже очень большим по меркам физики частиц, и должно составлять примерно 10-13 секунды».
Массовое распредеделение для трехчастичных комбинаций D0D0pi+. Новая частица Tcc+ проявляет себя как красный узкий пик, в то время как синяя штриховая линиия показывает поведение случайных комбинации D0D0pi+Дальнейшая работа предполагает детальное изучение внутренней структуры частицы.
«При массе чуть больше массы ядра гелия мы оценили размер Tcс+ примерно равным ядру атома радия (который в 50 раз тяжелее ядра гелия), то есть наша новая частица очень «рыхлая». Далее мы должны понять внутреннюю структуру этой частицы. Например, она может быть похожа на "атом", у которого есть очень маленькое и тяжелое "ядро", состоящее из двух очарованных кварков, окруженных облаком очень большого размера из легких антикварков. Или же она может быть похожа на "молекулу", в которой две тяжелые частицы D0 и D*+ вращаются друг от друга на расстоянии примерно в 8-10 раз большего размера каждой из этих частиц. Это основные варианты, и мы надеемся в какой-то момент узнать, какой именно сценарий реализуется в природе», – прокомментировал Иван Беляев.
Он также отметил, что есть и другие вопросы, требующие разрешения:
«Масса нового тетраквака находится близко к сумме масс двух очарованных мезонов – D*+D0. Мы не понимаем, почему их массы так близки, и этот вопрос вызывает большой интерес у теоретиков. Но и это еще не все. Существует еще одна загадочная частица χc1(3872) – она известна уже около 20 лет, но мы до сих пор не знаем, как она устроена. Обе эти частицы опять же имеют очень близкие массы к сумме масс очарованных мезонов. Совпадение это или нет? Не слишком ли много совпадений? Наша задача – найти этому объяснение».
При этом частично на вопросы, поставленные на Большом адронном коллайдере в Женеве, можно получить ответы с помощью будущего российского коллайдера.
«Отличия частиц заключается в том, – пояснил Александр Бондарь, – что у вновь обнаруженной два c-кварка в структуре, а у χc1(3872) с-кварк и анти с-кварк. Складывается впечатление, что это действительно «близкие родственники», есть что-то глубоко общее между ними. Поэтому более детальное, более точное изучение χc1(3872) поможет лучше понять физику в том числе и вновь открытого состояния. Электрон позитронный коллайдер Супер C-Тау Фабрика2 – проект, который развивает наш Институт, безусловно, сможет дать много новой полезной информации в этом направлении».
Оценивая значение открытия, Александр Бондарь отметил, что этот результат породит большое количество новых теоретических работ в области сильных взаимодействий на больших расстояниях.
«Тот факт, что природа преподнесла нам такой подарок, говорит о том, что наше понимание сильного взаимодействия пока недостаточно глубокое. Мы хорошо понимаем, как устроено это взаимодействие на малых расстояниях, много меньших, чем размер ядра. Когда сильно взаимодействующие частицы находятся на расстояниях, сравнимых с размером ядра (10-13 см) или больше, то появляются сложные эффекты, связанные с рождением легких кварков из вакуума, и это качественно влияет на взаимодействие таких частиц. Теория пока бессильна рассчитывать такое сложное взаимодействие, и когда мы наблюдаем новые, очень красивые качественные эффекты, не описываемые квантовой хромодинамикой, это показывает, что теория требует дальнейшего совершенствования», – подчеркнул он.
Экспериментальные данные набирались с 2011 по 2018 год, и на этой статистике наблюдается около 200 событий рождения новой частицы. Сигнал наблюдается уверенно со статистической значимостью, превышающей 10 стандартных отклонений (т.е. вероятность наблюдать данный эффект из-за статистических флуктуаций пренебрежимо мала).
LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) – один из детекторов Большого адронного коллайдера, предназначенный для изучения B-мезонов, то есть частиц, содержащих b-кварк («прелестный» кварк). Всего на LHC с начала работы коллайдера открыто 62 новые элементарные частицы, из них 55 было обнаружено коллаборацией LHCb, а 6 из них – группой ИТЭФ. С 2010 г. коллаборация выпустила почти 600 научных статей при участии сотрудников ИЯФ СО РАН и ИТЭФ.
В эксперименте LHCb участвуют пять человек из ИЯФ СО РАН и НГУ. Например, группа Института участвовала в открытии двух новых возбужденных состояний прелестного бариона, а также – нового состояния c-кварка и анти c-кварка – частицы ψ3(1D) и других. В данный момент при участии специалистов ведется несколько анализов по дальнейшему изучению χc1(3872).
ИТЭФ в эксперименте LHCb представляет группа из семи человек – меньше 1% состава коллаборации, при этом количество публикаций, подготовленных сотрудниками ИТЭФ, составляет 10% от всех статей коллаборации. Одна из задач, решением которой занимались специалисты ИТЭФ – создание программ обработки данных, которые повысили эффективность работы физиков. Реализованный инновационный подход позволяет получать первые результаты буквально одновременно с набором данных.
Частицы, открытые на LHCb nikhef.nl