LHCb сообщает о новых тетракварках

Среда, 10 марта 2021

В марте 2021 года эксперимент LHCb, проводимый на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил новую экспериментальную работу, в которой объявил, что для описания распадов B JK+φ необходимо ввести новые резонансы, интерпретируемые как тетракварковые состояния (qqqq).

В последние годы экспериментальная физика элементарных частиц переживает бум открытия так называемых экзотических состояний. Идея существования которых была предложена в пионерских работах по кварковой теории адронов её создателями — М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом. В своих работах они допускали существование не только барионов (трёхкварковых состояний – qqq) и мезонов (кварк-антикварковых состояний – qq), но и частиц, которые сейчас называют экзотическими адронами: пентакварков (qqqq­q) и тетракварков (qqqq). Только в прошлом году были экспериментально получены указания на существование четырёх новых тетракварковых состояний (1, 2).

На прошлой неделе эксперимент LHCb выпустил новую работу, посвященную экспериментальному исследованию цепочки распадов:

B+→ J/ψ(μ+μ)φ(K+K)K+.

Исследование было ориентировано на оценку вклада промежуточных резонансов, возникающих при распаде B+ мезона. В новой работе экспериментаторам удалось выделить 24220 событий-кандидатов распада B+→ JK+φ. Для того чтобы понять, есть ли промежуточные резонансы при распаде одной частицы на три, обычно используется диаграмма Далитца. Это двумерное распределение событий по квадратам масс пар дочерних частиц. В случае отсутствия резонансов события должны равномерно засеивать кинематически разрешенную область (область, в которой возможно выполнение законов сохранения энергии и импульса). Диаграмма Далитца для распадов B+→ JK+φ приведена на рисунке 1. Видно, что никакого равномерного распределения событий не наблюдается, а значит, для интерпретации полученных результатов необходимо провести сложную процедуру многомерного амплитудного анализа. LHCb не впервые исследует этот распад. В работах 2016 года (1, 2) для него уже наблюдались особенности, которые можно охарактеризовать как проявление тетракварков. Какие же сюрпризы преподнес новый большой массив данных, полученных в 2015-2018 годах на БАК?

Процедура проведения амплитудного анализа подразумевает, что цепочка распадов разбивается на двухчастичные составляющие, в каждую из которых помимо частицы конечного состояния входит резонанс, распадающийся на две оставшиеся частицы. Каждый такой резонанс характеризуется массой, естественной шириной, спином и четностью. Все эти характеристики определяют вклад данного промежуточного состояния в массовые и угловые спектры распада B+→ JK+φ. Отдельная сложность связана с тем, что амплитуды могут интерферировать, усиливая или ослабляя вклад друг друга. Задачей специалиста, работающего над амплитудным анализом, является нахождение минимального числа промежуточных резонансов, а также их характеристик, удовлетворительно описывающих спектр. На рисунке 2 показано описание данных, полученных для модели, разработанной на основе результатов первого этапа работы БАК, и для уточненной модели. Видно, что новые данные требуют улучшения амплитудной модели.

Итоговая модель, описывающая распад B+→ JK+φ, включает полтора десятка составляющих, половина из которых — тетракварки типов scsc и sсuc. Физики назвали новые обнаруженные тетракварки Zcs(4000)+, Zcs(4220)+, X(4685) и X(4630). Их характеристики приведены в препринте статьи LHCb.

Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента LHCb, отвечая за мюонную систему, без которой была бы невозможна регистрация J-резонансов. Сейчас они проводят работу по модернизации мюонной системы и подготовке её к следующему этапу работы БАК.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт