15 октября 2021

Эксперимент LHСb на Большом адронном коллайдере объявил об открытии двух новых прелестных барионов

Рисунок 1 и 2

В октябре 2021 года эксперимент LHСb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил об открытии двух новых прелестных барионов. Скорее всего, обнаруженные сигналы соответствуют 1D-дублету возбужденных состояний Ξb0.

Адроны, содержащие в своем составе тяжелые кварки (c – очарованный, b – прелестный), являются уникальным полигоном для проверки предсказаний теории сильного взаимодействия – квантовой хромодинамики (КХД). В силу большой массы этих элементарных частиц расчет характеристик адронов, в состав которых входят тяжелые кварки, оказывается менее затрудненным, чем для случая адронов, сформированных только лёгкими кварками. Наблюдаемыми величинами, которые можно сравнивать с предсказаниями различных КХД-расчетов, являются: массы, ширины и вероятности различных промежуточных каналов распада возбужденных состояний тяжелых адронов.

В октябре 2021 года эксперимент LHCb направил в печать статью о наблюдении двух новых прелестных частиц. Эти частицы являются возбужденными состояниями прелестных адронов. Они испытывают целый каскад распадов, проходящих под действием как сильного, так и слабого взаимодействий. Реконструируются новые частицы, названные Ξb(6327)0 и Ξb(6333)0, как пикующиеся структуры в канале распада Λb0K−π+ (см. рисунок 1). При этом, во-первых, Λb0 барион восстанавливался по каналам распада Λb0 → Λc+π– и Λb0 → Λc+π–π+π−, а во-вторых, Λc+ барион реконструировался по каналу распада Λc+→ pK−π+. Таким образом, в конечном состоянии фиксировалось либо шесть, либо восемь треков, которые должны были быть порождены частицами с фиксированными электрическими зарядами. При этом топология реконструированного каскада распадов должна совпадать с ожидаемым деревом распада возбужденного состояния Ξb0. Малейшее отклонение от этих требований, и сигнал перестает наблюдаться. Например, если при отборе поменять знаки электрических зарядов каона и пиона, то сигнал, как и ожидается, отсутствует (см. рисунок 1).

Статистическая значимость сигнала превышает 9 стандартных отклонений. Гипотеза о том, что сигнал состоит из двух пиков, подтверждается на уровне 5σ. Аппроксимировав спектры, сотрудники LHCb определили массы резонансных состояний, а также установили верхние пределы на их естественные ширины.

Помимо цепочки слабых распадов, описанных выше и использованных для реконструкции новых частиц, данные позволяют выделить промежуточные резонансные состояния в системе Λb0K−π+. Эти резонансы – частицы, возникающие и распадающиеся под действием сильного взаимодействия. Так, построив распределения по массе Λb0π+, физики увидели, что распад частицы Ξb(6327)0 почти полностью идет через промежуточное состояние Σb+K−, а для Ξb(6333)0 примерно в половине случаев наблюдается распад по каналу Σb*+K− (см. рисунок 2).

С точки зрения теории открытые частицы, скорее всего, принадлежат к так называемому 1D дублету Ξb0 барионов и имеют спин-четности 3/2+ и 5/2+. Измеренные массы и ширины находятся в согласии с предсказаниями теоретических моделей. Также теоретические предсказания утверждают, что лёгкое состояние должно преимущественно распадаться по Σb+K−-каналу, а вот для более тяжелого должны быть характерны распады в Σb*+K−. Именно это и наблюдается экспериментально.

В заключение следует отметить, что сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента LHCb. Сотрудники Отделения физики высоких энергий Института являются соавторами статьи, направленной в престижный научный журнал Physical Review Letters.