Пресс-центр

Эксперимент LHCb наблюдает дважды-Кабиббо-подавленный распад Ξc+ бариона

Эксперимент LHCb, проводящийся на Большом адронном коллайдере (БАК) объявил об обнаружении дважды-Кабиббо подавленного распада Ξ_c⁺→pφ. Такие эксперименты помогут исследовать влияние время жизни тех кварков в составе адронов, которые формально не участвуют в его распаде. Новую работу физики LHCb посвятили памяти своего коллеги – сотрудника НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ.

Уточнение характеристик уже известных физикам частиц – одна из задач эксперимента LHCb, проходящего на БАК. К таким свойствам относятся массы, времена жизни, квантовые числа, а также вероятности распадов по тому или иному каналу. В основном LHCb сфокусирован на исследованиях частиц, в состав которых входят кварки c (физики называют его очарованным или очаровательным) или b (прелестный). Это довольно тяжелые элементарные частицы. Так масса c-кварка немного больше массы протона (частицы, состоящей из легких кварков u и d), а b-кварк еще в четыре раза массивнее. Из-за особенностей сильного взаимодействия мы не можем наблюдать отдельные кварки. Кварки, родившиеся во взаимодействиях протонов БАК, очень быстро группируются в составные частицы (адроны, сам процесс называется адронизация), за превращениями которых и наблюдают физики.

Превращения адронов могут происходить под действием всех трех фундаментальных взаимодействий, которые можно наблюдать в микромире. Главное условие – распад должен быть энергетически выгоден; т.е. сумма масс дочерних адронов должна быть меньше массы материнской частицы. Быстрее всего идут процессы, которые протекают под действием сильного взаимодействия, гораздо медленнее, но для нас почти мгновенно, идут распады под действием электромагнитных сил. Распады, проходящие под действием слабого взаимодействия очень сильно «заторможены»; настолько, что частицы успевают отлететь на приличное расстояние от точки взаимодействия протонов БАК (это является одним из критериев поиска таких распадов). Слабые распады связаны с превращениями внутри адронов кварков одного типа (например c), в более легкие кварки (u, d или s). После превращения образуются более легкие адроны.

Как описывать слабые превращения кварков, придумал в 1968 году итальянский физик Никола Кабиббо. В 1972 японские физики Кобаяши и Маскава обобщили механизм, придуманный Кабиббо, на случай трех поколений кварков. Так механизм Кабиббо утверждает, что переходы c↔s и u↔d примерно в 20 раз более вероятны чем превращения c↔d и u↔s. Распады, в которых идут оба процесса c→d и u→s называют дважды-Кабиббо подавленными. Для распадов D-мезонов (систем кварк-антикварк) такие распады открыты уже давно, а вот для барионов (трехкварковых систем) был известен только один такой распад Λ_c⁺→pK⁺π⁻. На этой неделе эксперимент LHCb объявил об обнаружении еще одного дважды-подавленного распада Ξ_c⁺→pφ.

Механизм Кабиббо хорошо проверен экспериментально, зачем же физики продолжают его исследование? Дело в том, что в таких распадах можно создать системы, идентичные с точки зрения сильного взаимодействия, но разные с точки зрения слабого. Например, конечное состояние открытого дважды-подавленного распада – uudss (см. Рисунок 1), а для Кабиббо-разрешенный “партнёра” – uudss. С точки зрения сильного взаимодействия s-кварк и антикварк (s) идентичны, а вот с точки зрения слабого взаимодействия это разные частицы. В квантовой физике есть так называемый принцип запрета, сформулированный Вольфгангом Паули, по которому две одинаковые частицы с полуцелым спином (кварки именно такие) не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии, а следовательно, для описания разрешенного канала нужно будет ввести небольшую поправку, учитывающую тождественность s-кварков. Таким образом исследуя эти и подобные каналы распада физики в будущем смогут построить детальную (количественную) теорию адронов.

Статистическая значимость открытия не вызывает сомнения. Пик в системе масс протона и двух каонов (на них распадается промежуточный фи-резонанс) содержит более трёх тысяч событий (см. Рис.2). Физики не только открыли новый канал, но и измерили относительную интенсивность открытого распада.

Эту работу эксперимент LHCb посвятил памяти Юрия Щеглова – сотрудника Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, который скоропостижно скончался в ноябре 2017. Юрий принимал активное участие в исследованиях очарованных барионов и внес огромный вклад в опубликованную работу.