Поиск распада дважды-очарованной частицы не дал результатов

Понедельник, 20 мая 2019

Эксперимент LHCb, проводящийся на Большом адронном коллайдере (БАК), нацелен на поиск новых частиц, содержащих в своем составе тяжелые (очарованные – c и прелестные – b) кварки. В 2016 году была открыта и сейчас активно исследуется частица Ξсс++, в состав которой входит сразу два очарованных кварка. В 2017 году открытие было подтверждено регистрацией еще одного канала распада Ξсс++, а также физики измерили время жизни этой частицы. В обоих открытых каналах распада в конечном состоянии регистрировался очарованный барион. В новой работе экспериментаторы попытались найти распады с образованием очарованных мезонов. К сожалению, указаний на такие переходы найдено не было.

В основном в новостях публикуются заметки об открытиях: обнаружении новых субатомных частиц, прецизионном измерении их свойств, регистрации интересных физических процессов. Однако, огромный пласт экспериментальных работ оказывается незамеченным, так как их результат можно назвать «отрицательным»: искомая частица или процесс не обнаружены. Тем не менее, усилий на такие работы тратится ровно столько же, как и на те, что увенчались успехом. Сегодня мы расскажем об одной из таких работ – поиск экспериментом LHCb распада бариона с двойным очарованием, который сопровождается испусканием очарованного мезона.

Как мы уже не раз рассказывали, сильное взаимодействие устроено так, что кварки не могут находиться в свободном состоянии. Они формируют адроны, причем возможны только определенные конфигурации кварков. Самые простые из них это мезоны – частицы, состоящие из пары кварк-антикварк, и барионы, формирующиеся из трёх кварков (антибарионы состоят из трёх антикварков). Физики приписывают адронам так называемый барионный заряд. Он равен единице для всех барионов, нулю для мезонов, и минус единице для антибарионов. Существует эмпирический закон сохранения барионного заряда – для всех экспериментально измеренных процессов превращения адронов сумма барионных зарядов частиц начального состояния равна сумме барионных зарядов конечного состояния. Поиск процессов, в которых нарушатся этот закон сохранения, критически важен для понимания механизмов образования барионной асимметрии Вселенной. Наряду с поиском несохранения барионного заряда, физиков интересуют более тонкие вопросы, например: «Как барионный заряд передается на кварковом уровне?» Чтобы ответить, на этот вопрос нужно систематически исследовать различные распады адронов.

В новой работе LHCb, экспериментаторы искали распад Ξcc++→D+pKπ+, в котором барионный заряд передается от Ξcc++ протону, а c кварк входит в состав D+ мезона. Этот процесс отличается от ранее зарегистрированного распада Ξcc++→Λc+Kπ+π+ (дважды-очарованную частицу открыли именно в нем), где с кварк переходит не в мезон, а в барион – носитель барионного заряда. Возможные кварковые диаграммы, описывающие эти процессы, приведены на рисунках 1 и 2. Поиск нового канала распада осуществлялся так называемым слепым методом (англ. blind analysis), когда физики сначала оптимизируют критерии отбора, и лишь после того, как процедура поиска отлажена и зафиксирована, смотрят в массовый спектр дочерних частиц. Такой подход позволяет избежать искусственного выращивания сигнала из статистических флуктуаций. Также в ходе анализа физики оценивают к какому сигналу потенциально чувствительны измерения. Измеряемой величиной (R) являлось отношение вероятности распада Ξcc++→D+pKπ+ к вероятности процесса Ξcc++→Λc+Kπ+π+.

Посмотрев в спектр масс системы D+pKπ+ для частиц, прошедших все критерии отбора, физики не обнаружили проявлений искомого распада (см. рисунок 3). В нормировочном канале наблюдалось 184 ± 29 события-кандидата (см. рисунок 4). Из этих наблюдений следует, что R < 0.021 для уровня доверительной вероятности 95%. Такая малая величина R может объясняться промежуточными резонансами, спиновыми эффектами или динамикой изучаемых распадов.

Данная работа выполнена лишь на трети статистики, накопленной в ходе второго этапа работы БАК. В ближайшем будущем, используя все доступные данные, экспериментаторы надеются улучшить точность этих измерений. Подробнее об открытии можно узнать из препринта научной статьи, выпущенной экспериментом LHCb. Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ принимали участие в подготовке этой работы в составе рабочей группы по изучению очарованных частиц.

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