Пресс-центр

В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ обсудили тетракварки

22 сентября в Институте прошел семинар Отделения физики высоких энергий, на котором сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ обсудили новейшие результаты исследований тетракварков. Помимо открытий, о которых мы уже сообщали ранее, заведующий лабораторией барионной физики ОФВЭ Алексей Дзюба рассказал про первые экспериментальные измерения естественной ширины частицы χ_c1(3872). О том, почему эти исследования важны, мы постараемся сейчас рассказать.

Мы довольно часто пишем об исследованиях экзотических адронов: пентакварков (qqqqq) и тетракварков (qqqq). Предсказанные еще на заре кварковой теории адронов, они стали экспериментально доступны только в XXI веке, когда заработали e⁺e^–- и адронные коллайдеры высокой светимости. Первой достоверно обнаруженной экзотической частицей было состояние X(3872). Эта частица была открыта в 2003 году экспериментом Belle. Обнаруженное состояние характеризовалось, во-первых, очень большим временем жизни (тогда экспериментаторы смогли определить лишь верхний предел на значение естественной ширины, Г₃₈₇₂ < 2.7 МэВ), а во-вторых, массой, очень близкой к сумме масс пары частиц с открытым очарованием DD^*. Сначала X(3872) приняли за представителя семейства чармониевых резонансов (возбужденные состояния системы двух очарованных кварков cc). Однако, практически сразу же стало понятно, что для этой частицы нет места в спектре чармония, и для нее требуется какая-то другая теоретическая интерпретация.

Для объяснения природы χ_c1(3872) (частицу переименовали, когда эксперимент LHCb точно определил ее квантовые числа, J^PC=1⁺⁺) было предложено несколько гипотез:

1. квазимолекулярное состояние, состоящие из D⁰ и анти-D^0* мезонов;
2. компактное тетракварковое состояние (в той или иной конфигурации);
3. смесь первого и второго сценариев;
4. так называемое гибридное состояние, в котором за большую массу отвечает энергия внутреннего глюонного поля;
5. кинематический эффект связанных каналов, возникающий на пороге рождения системы D⁰ и анти-D^0*.

Многие из этих моделей имеют трудности с описанием малой естественной ширины χ_c1(3872), которую до 2020 года не удавалось измерить.

Летом эксперимент LHCb, проводящийся на Большом адронном коллайдере, выпустил две экспериментальные работы (1, 2), в которых объявил о том, что, наконец-то, удалось измерить величину Г₃₈₇₂. Эти измерения и обсуждались на Семинаре ОФВЭ.

Характеристики χ_c1(3872) изучали в распадах ко каналу π⁺π^–J/ψ(→μ⁺μ^–), предварительно отобрав события-кандидаты, образовавшиеся в распадах прелестных (содержащих тяжелый b кварк) адронов. Такие распады характеризуются тем, что χ_c1(3872) образуется не в точке взаимодействия протонов БАК, а на заметном расстоянии от неё, так как времена жизни b-адронов велики и они успевают отлететь от так называемой первичной вершины. Эксперимент LHCb был изначально оптимизирован на исследование подобных процессов, поэтому эффективности отбора событий-кандидатов высоки и исследования характеризуются относительно низким фоном. Экспериментаторы использовали оба из двух возможных подходов к таким исследованиям:

• изучение одного конкретного канала образования χ_c1(3872) – B⁺→K⁺[χ_c1(3872) → π⁺π^–J/ψ(→μ⁺μ^–)], так называемые эксклюзивные измерения (см. рисунок 1);
• инклюзивные измерения, при которых конкретный канал распада b-адрона не выделялся.

Важнейшим условием измерения Г₃₈₇₂ является точная калибровка массовой шкалы. В этом на помощь физикам приходит сама природа. Вблизи χ_c1(3872) расположено хорошо известное чармониевое состояние – ψ(2S), которое имеет большую вероятность распада по π⁺π^–J/ψ-каналу. Это позволяет, во-первых, хорошо привязаться к массовому спектру, что важно при изменении положения пика, и, во-вторых, изучить разрешение спектрометра – необходимое условие для измерения ширины адронных резонансов. Оказалось, что для двух подходов чувствительность к Г₃₈₇₂ находится на уровне 200 кэВ. Это позволило впервые измерить естественную ширину χ_c1(3872). Если описывать резонанс распределением Брейта-Вигнера, то параметр Г₃₈₇₂ составляет:

• 1.39 ± 0.24 ± 0.10 МэВ, для инклюзивных измерений,
• 0.96 ± 0.19 ± 0.21 МэВ, для эксклюзивного метода.

Следует отметить, что брей-вигнеровский подход позволяет лишь «пощупать величину проблемы». Так как порог рождения пары D⁰ и анти-D^0* очень близок к массе резонанса, то его форма описывается чуть более сложным распределением (так называемое распределение Флаттé), содержащим уже пять параметров. Извлечь сразу все пять из измерения только π⁺π^–J/ψ -канала распада не представляется возможным, однако, на базе некоторых допущений можно измерить три, что и было проделано экспериментаторами.

Физики LHCb не остановились на достигнутом и провели теоретическое исследование полученных результатов, получив из параметров распределения Флаттé положения полюсов на листах аналитического продолжения энергии в область комплексных значений. Из этих исследований и предположении о композитной внутренней структуре χ_c1(3872) (вариант 3) можно извлечь долю компактной компоненты (Z). Данные свидетельствуют о том, что Z лежит в районе 15-30%.

Более подробно о результатах исследований можно узнать их научных статей LHCb (1, 2), а также из слайдов семинара. Следует отметить, что проведение этих измерений было бы невозможным без стабильной работы Мюонной системы LHCb, созданной сотрудниками ОФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. Большой вклад в обработку экспериментальных данных и получение конечного результата внесли наши коллеги из НИЦ «Курчатовский институт» - ИТЭФ.