Наука и образование

Обнаружена новая прелестно-странная частица

Эксперимент CMS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), сообщил об открытии новой частицы Ξ_b(6100)^–, содержащей в своем составе прелестный (b) и странный (s) кварки. Физикам удалось измерить массу нового бариона c высокой точностью.

БАК – прекрасная экспериментальная установка, позволяющая открывать новые субатомные частицы. Начиная с 2011 года, в ходе экспериментов на БАК были открыты более 50 новых частиц – новых адронных состояний. О многих из этих открытий мы сообщали в наших новостях (например, 1, 2, 3, 4). Первой новой частицей 2021 года стал прелестно-странный барион Ξ_b(6100)^–, об открытии которого недавно сообщил эксперимент CMS.

CMS проанализировал данные, набранные в ходе второго сеанса работы БАК в 2016-2018 годах. Набор данных соответствует интегральной светимости 140 фб^–1. Заметим, что другой эксперимент БАК – LHCb – основной конкурент CMS на ниве поиска новых прелестных частиц, набрал за этот период статистику, соответствующую 6 фб^–1. Это различие компенсируется более селективными критериями отбора полезных событий, доступными на LHCb. В итоге создается здоровая научная конкуренция, которая позволяет поддерживать высокий темп исследований.

В анализе, представленном CMS, исследовалась следующие, довольно длинные цепочки распадов:

1. Ξ_b(6100)^–→ Ξ_b⁻π⁺π^–;
2. Ξ_b⁻ → J/ψΞ^– и Ξ_b⁻ → J/ψΛK^–;
3. J/ψ→μ⁺μ⁻, Ξ^–→ Λπ^–, Λ → pπ^–, 

т.е., в конечном состоянии регистрировалось множество треков заряженных частиц, каждый из которых должен иметь соответствующий электрический заряд. Это является мощнейшим критерием отбора. Распределения, соответствующие двум последним этапам отбора, представлены на рисунках 1 и 2. В спектре масс системы Ξ_b⁻π⁺π^– наблюдаются узкие пики, которые и интерпретируются как новое барионное состояние. Статистическая значимость наблюдения превышает шесть стандартных отклонений.

Близость массы новой частицы к порогу Ξ_b⁻π⁺π^–-канала предоставляет хорошие возможности для измерения параметров Ξ_b(6100)^–. Дело в том, что чем ближе к порогу, тем лучше массовое разрешение.

Физикам удалось весьма точно измерить массу открытого бариона. Она составила 6100.3 ± 0.2_стат. ± 0.1_сист. ± 0.6_Ξb МэВ/с². Последняя погрешность соответствует текущей точности экспериментального измерения массы Ξ_b⁻. Таким образом, относительная погрешность измерения массы новой частицы порядка одной десятитысячной! Естественная ширина нового состояния оказалась довольно мала. Экспериментаторы установили для неё лишь верхний предел (Г < 1.9 МэВ). Исходя из аналогий со спектром возбужденных состояний Ξ_с барионов и теоретических предсказаний, новая частица скорее всего имеет спин-четность 3/2^–.

В заключение следует отметить, что сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» (в том числе из НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ) принимают активное участие в работе всех упомянутых экспериментов БАК, внося свой вклад в возможность проведения работ. Так, в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ были изготовлены 120 больших мюонных камер и 10 000 каналов высоковольтного питания для эксперимента CMS, без которых была бы невозможна регистрация распадов J/ψ→μ⁺μ. Приятно отмерить также, что ведущую роль в анализе данных, приведших к открытию, играли российские ученые – группа физиков из Физического института РАН им. П.Н. Лебедева и студентов МФТИ. Поздравляем коллег с выходом прекрасной работы!