Открыта новая субатомная частица с двойным очарованием

Четверг, 20 июля 2017

Эксперимент LHCb (одна из четырех крупных экспериментальных установок Большого адронного коллайдера) сообщил об открытии новой частицы, содержащей сразу два тяжелых (с-) кварка. Открытие этой частицы очень важно для понимания и теоретического описания сильного взаимодействия. Изучение свойств таких частиц должно помочь понять, как из кварков формируются адроны.

8 июля 2017 года на Международной конференции по физике высоких энергий, организованной Европейским физическим обществом (http://eps-hep2017.eu/), физики, представляющие эксперимент LHCb, заявили об обнаружении новой частицы с массой 3621,4 MeV/c2. Такие частицы рождаются в протон-протонных столкновениях высоких энергий. Изучался распад этой частицы (называемой Ξcc++) на Λc+-барион и три легких мезона: K, π+ и π+. Новая частица обнаружена как в данных, накопленных в 2016 году при энергии сталкивающихся протонов 13 ТэВ (выделено 313 ± 33 события-кандидата, см. Рис.1), так и в наборе данных 2011-12 годов для энергий столкновения 7 и 8 ТэВ (было найдено 113 ± 21 кандидатов).

Image1Рис.1 Спектр инвариантной массы для системы из четырех регистрируемых частиц Λc+Kπ+π+. В силу законов сохранения энергии и импульса, частицы, образовавшиеся из распада одной более тяжелой частицы, группируются (образуют пик) в районе массы “материнской” частицы.

Исследования показали, что Ξcc++-барионы имеют достаточно большое время жизни, и распадаются, отлетев на некоторое расстояние от точки столкновения двух протонов, в которой они родились. Это является указанием на то, что распад Ξcc++ идет под действием слабого взаимодействия. Измеренная масса и характеристики распада новой субатомной частицы позволяют говорить о том, что она состоит из трёх кварков (истинно элементарных сильно-взаимодействующих частиц). При этом два из трех кварков - тяжелые c-кварки, а третий - легкий u-кварк. Физики называют частицы, содержащие тяжелый c-кварк, “очарованными” или “очаровательными” (англ. charm ― очарование, шарм). Соответственно, новая частица, содержащая два таких кварка, ― частица с двойным очарованием. Одна из возможных схем, по которой протекает обнаруженный распад Ξcc++Λc+Kπ+π+, приведена на Рис. 2.

Image2Рис.2 Один из вариантов распада Ξcc++-бариона на Λc+Kπ+π+. Распад происходит под действием сил слабого взаимодействия с образованием промежуточного W+-бозона.

Открытие частиц с двойным очарованием очень важно для построения теории сильного взаимодействия при низких и промежуточных энергиях, которая должна математически описать, как из кварков формируются составные частицы (их называют адронами). На сегодняшний день квантовая хромодинамика (раздел теоретической физики описывающий сильное взаимодействие) умеет довольно хорошо описывать кварк-антикварковые состояния (мезоны), в состав которых входят тяжелые кварки (с и b) и тяжелые антикварки. Также удовлетворительно описываются мезоны, в состав которых входит тяжелый кварк и один из легких (u, d) или промежуточных (s) антикварков. Описание систем из легких и промежуточных кварков, и даже барионов (частиц, состоящих из трёх кварков), даже если в их состав входит один тяжелый кварк, довольно затруднено. Новая частица ― необходимое связующее звено, так как в её состав входят два тяжелых кварка (что заметно облегчает теоретические расчеты) и один легкий кварк. Хорошая теория должна описать свойства Ξcc++-бариона, предсказать свойства его возбужденных состояний, а также характеристики других частиц с двойным очарованием: Ξcc+ (кварковый состав: ccd) и Ωcc+ (ccs). В свою очередь задачей физиков-экспериментаторов является поиск и определение характеристик таких частиц.

Ученые Петербургского института ядерной физики (НИЦ КИ - ПИЯФ) играют важную роль в таких исследованиях. Так, Отделение теоретической физики ― один из признанных мировых лидеров построения теории сильного взаимодействия. В свою очередь физики Отделения физики высоких энергий Института принимают активное участие в исследованиях LHCb, посвященных рождению очарованных частиц и изучению их свойств.

Подробнее про новую частицу можно узнать из публикации LHCb (препринт: https://arxiv.org/abs/1707.01621, а также из материалов специального семинара, организованного в ЦЕРНе (слайды и видеозапись: https://indico.cern.ch/event/632400/.

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