Обнаружены новые тетракварки

Четверг, 27 августа 2020

Летом 2020 года эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил две новые экспериментальные работы и объявил о наблюдении структур, которые могут быть интерпретированы как тетракварковые состояния (qqqq).

Уже в своих пионерских работах по кварковой теории адронов её создатели — Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг — 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). Здесь буквой q мы обозначаем кварк одного из пяти типов: верхний (u), нижний (d), странный (s), очарованный (c) или прелестный (b), а буквой q — антикварки. Развитие ускорительной и детекторной техники позволило увидеть частицы этих типов почти через 50 лет после их теоретического открытия. Это стало возможным после начала исследования очарованных частиц, для которых из-за большой массы c-кварка естественная ширина много меньше их массы, а значит экзотика проявляет себя как нерегулярность массового спектра.

В 2015 году LHCb открыл пентакварковые состояния, а еще раньше экспериментами Belle и позднее LHCb была открыта частица Z(4430)+, тетракварковая природа которой (cdcu) почти не вызывает сомнений у физиков. Этим летом LHCb опубликовал результаты новых измерений, которые могут быть интерпретированы как новые тетракварковые состояния – udsc и cccc.

Об указании на существование тетракварков типа udsc физики объявили на семинаре Европейского центра ядерных исследований ЦЕРН (видеозапись семинара).  Экспериментаторы изучали распады прелестного мезона на два очарованных и один странный (канал распада: B+D+DK+). Промежуточные резонансы проявляют себя как прямые линии на диаграмме Далитца – двумерном распределении квадратов масс пар дочерних частиц из трёхчастичного распада. Так, для исследуемого процесса (рисунок 1) хорошо видны две горизонтальные полосы, соответствующие уже известным частицам: ψ(3770) и χс2(3930). Кроме них на диаграмме отчетливо проступает и вертикальная полоса, которую физики интерпретировали как вклад тетракварков.

Экспериментаторы провели два различных исследования полученных данных. Модельно-независимое исследование показало, что полученные спектры нельзя описать резонансными вкладами в D+Dсистеме. Эта гипотеза отвергается на уровне четырёх стандартных отклонений. В исследовании второго типа (амплитудный анализ) физики попытались извлечь характеристики новых тетракварковых состояний. Оказалось, что лучше всего данные описываются, если привлечь вклады двух тетракварков:

  • X0(2900) – резонанс с нулевым спином, массой 2866 ± 7 МэВ/c2 и шириной 57,2 ± 12,9 МэВ;
  • X1(2900) – резонанс со спином равным 1, массой 2904 ± 5 МэВ/c2 и шириной 110,3 ± 11,5 МэВ.

Следует отметить, что открыт новый тип частиц – тетракварки с открытым очарованием. Их исследование поможет теоретикам разобраться, на что похожи данные частицы — на адронные молекулы или же на компактные атомоподобные частицы.

Второй анализ данных, указывающий на возможное проявление тетракварковых состояний, был обнародован еще в июле. Физики LHCb изучали одновременное рождение двух J резонансов в одном взаимодействии протонов. Такие исследования интересны сами по себе, так как позволяют изучать вклады двойного (жесткого) взаимодействия партонов. Партоны – кварки и глюоны, образующие протон. J мезоны регистрируются по распадам на μ+μ-пары. Используя всю статистику, накопленную в ходе первого и второго сеанса работы БАК, экспериментаторам удалось выделить более 33000 таких событий. Распределение по массе для системы двух J-мезонов ожидалось гладким. Однако, полученный результат обескуражил: в спектре наблюдается явная «узкая» нерегулярность (рисунок 3). Статистическая значимость этого эффекта превышает пять стандартных отклонений. Одним из объяснений этого феномена является формирование промежуточного тетракваркового состояния, которое интерферирует с нерезонансным вкладом. Возможно и существование двух тетракварковых резонансов. Если тетракварковая гипотеза подтвердится, то мы имеем дело с уникальной частицей, состоящей их четырех тяжелых c-кварков, исследование которой обогатит теоретическую физику сильного взаимодействия.

Следует, однако, подчеркнуть, что гипотеза промежуточной (cccc)-частицы не является единственной. Например, возможен такой вариант, что экспериментаторы наткнулись на так называемый эффект связанных каналов. Ответ на вопрос «Что это за эффект?» мы получим в будущем, вероятно, по результатам третьего этапа работы БАК.

НИЦ «Курчатовский институт» (в том числе, НИЦ «Курчатовский институт»-ПИЯФ) принимает активное участие в работе эксперимента LHCb. Так, сотрудники Отделения физики высоких энергий Института отвечают за мюонную систему LHCb, без которой была бы невозможна регистрация J/ψ-резонансов.

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