Исследователи Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) успешно применили самый мощный в мире ускоритель частиц для обнаружения новой тяжелой субатомной частицы, напоминающей протон.
Эта частица, получившая обозначение Xi-cc-plus (Ξcc⁺), была зарегистрирована с помощью модернизированного детектора LHCb (Large Hadron Collider beauty) на Большом адронном коллайдере (БАК), который разгоняет протоны и ионы до скоростей, близких к скорости света. Ξcc⁺ является более тяжелым родственником протона, впервые открытого новозеландским физиком и химиком Эрнестом Резерфордом в период между 1917 и 1919 годами. Ключевое различие заключается в составе: в то время как обычный протон содержит два верхних кварка (up) и один нижний кварк (down), новая частица вместо верхних кварков включает в себя более тяжелые очарованные кварки (charm).
По данным Манчестерского университета, который внес ключевой вклад в модернизацию детектора, это открытие продолжает научную традицию, начатую в 1950-х годах с идентификацией первой частицы Ξ (Xi). В проекте задействовано более 1000 ученых из 20 стран.
Идентификация частицы стала возможной благодаря отслеживанию процесса ее распада на три более легкие частицы: Λc⁺, K⁻ и π⁺. Эти продукты распада были зафиксированы в результате протон-протонных столкновений на БАК в 2024 году, который стал первым полным годом работы модернизированного эксперимента LHCb.
Анализ данных показал четкий пик, состоящий примерно из 915 событий, при массе 3619,97 мегаэлектронвольт (МэВ/c²), что соответствует теоретическим ожиданиям и согласуется с параметрами ранее открытой родственной частицы Ξcc⁺⁺. Обнаружение Ξcc⁺ разрешило загадку, которая волновала ученых более двух десятилетий, связанную с неподтвержденным заявлением о наблюдении этой частицы в прошлом. Важно отметить, что масса вновь открытой частицы несовместима с более ранним заявлением, но идеально соответствует теоретическим предсказаниям.
Руководил проектом по модернизации и последующему открытию Крис Паркс, профессор и глава факультета физики и астрономии Манчестерского университета, который также более десяти лет возглавлял и направлял вклад Великобритании в этот проект. Паркс подчеркнул, что это открытие открывает захватывающие научные перспективы и демонстрирует важность продолжения участия Великобритании в следующем этапе модернизации LHCb для сохранения лидирующих позиций в физике частиц.
Группа Паркса разработала ключевые компоненты модернизированной системы слежения, включая кремниевые пиксельные детекторные модули, собранные в здании Шустера. Эти детекторы, которые исследователь Стефано де Капуа сравнил с камерой, делающей 40 миллионов снимков в секунду для визуализации частиц, сыграли решающую роль в точном отслеживании распадов, приведших к обнаружению сигнала Ξcc⁺. Примечательно, что разработанный для детектора специальный кремниевый чип имеет также модификацию, используемую в медицинских приложениях.
Проводя параллели с историей, Паркс отметил, что эксперимент Резерфорда с золотой фольгой, проведенный в подвале в Манчестере, изменил понимание материи, и сегодняшнее открытие, использующее передовые технологии в ЦЕРН, развивает это наследие, демонстрируя, как далеко могут зайти исследования, движимые любопытством.