Наука и образование

Иерархия времен жизни очарованных барионов подтверждена

Эксперимент Belle II, который проводится в Японии и нацелен на изучение свойств прелестных и очарованных адронов, подтвердил измеренную ранее LHCb иерархию времен жизни очарованных барионов.

В экспериментальной физике элементарных частиц иногда происходят неожиданные «перевороты». Так в 2018 году эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), измерил среднее время жизни Ω_c⁰ бариона, которое оказалось почти в четыре раза больше результатов трех(!) предыдущих измерений: E687 и FOCUS в Национальной лаборатории им. Энрико Ферми (США) и WA89 в ЦЕРНе. Такое большое расхождение результатов различных экспериментов (см. рисунок 1), переворачивающее наше представление об иерархии времен жизни основных состояния очарованных барионов, довольно редкое явление в физике частиц. Конечно, требовались экспериментальные проверки.

Однако, для начала разберемся, почему понимание иерархии времен жизни важно. Природа зачем-то создала три копии фундаментальных фермионов (кварков и лептонов), которые отличаются друг от друга лишь массой. Фермионы первого поколения (u и d кварки) формируют протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра. Ядра и электроны образуют атомы. Частицы второго (c и s кварки и мюоны) и третьего (t и b кварки и τ-лептоны) поколений нестабильны. Они распадаются под действием слабого взаимодействия, и поэтому мы в повседневной жизни не наблюдаем их проявления. Но их можно получить в ускорительных экспериментах и изучать их свойства. Так на БАК во взаимодействии протонов высоких энергий обильно рождаются очарованные аналоги протонов (uud) и нейтронов (udd).

Всего существует четыре основных состояния однократно очарованных барионов: Ξ_c⁰(dsc), Λ_c⁺(udc), Ω_c⁰(ssc) и Ξ_c⁺(usc). Они живут довольно долго и распадаются под действием слабых сил (в основном за счет превращений c → s). Однако, средняя продолжительность их существования отличается почти в 3 раза, а значит определяется окружением очарованного кварка. Понять динамику распадов очарованных барионов и то, какую роль в них играют u, d и s кварки, и на основе этого объяснить иерархию времен жизни, – одна из задач квантовой хромодинамики (теории сильного взаимодействия). Но для того, чтобы сделать это, теоретикам необходимы надежные экспериментальные сведения.

Первый шаг в проверке иерархии τ(Ξ_c⁺) > τ(Ω_c⁰) > τ(Λ_c⁺) > τ(Ξ_c⁰), измеренной LHCb стала проверка времен жизни барионов Ξ_c⁰ и Ω_c⁰, выполненная на той же экспериментальной установке, но при помощи другого метода. Если в работах 2018-19 годов (1 и 2) использовались полулептонные распады прелестных адронов, то в работе, выпущенной в 2022 году, изучались Ξ_c⁰ и Ω_c⁰, рожденные непосредственно в точке взаимодействия протонов БАК. Результаты двух методов сошлись (см. рисунок 1), что позволило журналу CERN Courier выпустить заметку с заголовком «Новая иерархия времен жизни очарованных барионов отлита в камне».

Совсем уж независимая проверка была выполнена экспериментом Belle II, который накопил достаточную статистику Ω_c⁰ барионов, распадающихся по каналу Ω^–π⁺. Удалось идентифицировать 132 события-кандидата подобного распада (см. рисунок 2).

Для этих событий были построены распределения по времени жизни (см. рисунок 3). Учет вклада фона производился путем анализа событий вне пика Ω_c⁰ в массовом спектре Ω^–π⁺. В результате, измеренное время жизни составило: τ(Ω_c⁰) = 243 ± 48_стат. ± 11_сист. фс, что согласуется с результатами LHCb.

Таким образом, иерархия времен жизни очарованных барионов подтверждена и теперь слово за теоретиками!

В заключении следует отметить, что сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» (в том числе из ПИЯФ) принимают активное участие в работе эксперимента LHCb. Сотрудники Отделения физики высоких энергий Института работают в составе группы анализа данных LHCb, занимающейся рождением и распадами очарованных адронов.