Физики открыли первый тетракварк сразу с четырьмя ароматами

Физики коллаборации DZero (Национальная ускорительная лаборатория имени Энрико Ферми) сообщают об открытии новой элементарной частицы — тетракварка X(5568). Это первая из известных элементарных частиц, содержащая четыре кварка с различными квантовыми ароматами: верхний (u), нижний (d), странный (s) и прелестный (b). Статья подана для публикации в журнал Physical Review Letters, ее препринт доступен на сайте arXiv.org

Частица была открыта при анализе архивных данных экспериментов по сталкиванию протонов и антипротонов в Тэватроне — ускорителе элементарных частиц, закрытом в 2011 году. Коллаборация искала промежуточные экзотические частицы, распадающиеся определенным образом: на B_s-мезон и пи-мезон. Как и любые другие мезоны, эти частицы состоят из пар кварк-антикварк, первый из них содержит в себе странный кварк и прелестный антикварк, второй — верхний и нижний кварки и антикварки в разных сочетаниях. 

Физики анализировали кривую распределения масс B_s-мезонов и пи-мезонов, образовывавшихся в результате протон-антипротонных столкновений. В данных, собранных за 2002-2011 годы работы коллайдера, ученые обнаружили явный избыток частиц с суммарной массой 5 568 мегаэлектронвольт. Статистическая значимость события составляет 5,1 сигма, иначе говоря, вероятность того, что наблюдаемый пик лишь флуктуация фонового сигнала составляет 0,000017 процента.

По словам представителя коллаборации, Дмитрия Денисова, поначалу физики не поверили, что открыли новую частицу. Лишь после многочисленных проверок стало ясно, что наблюдаемый сигнал не может быть объяснен какими-либо фоновыми или другими известными процессами. Он ясно свидетельствовал о новой частице. 

На то, что частица-прародитель содержит в себе четыре различных кварка указывает характер пика. По словам ученых, его большая ширина говорит о том, что распад управляется сильным взаимодействием. Такие процессы сохраняют аромат участвующих частиц, а продукты распада содержат в себе четыре разных типа кварков.

Структура нового тетракварка пока неизвестна: он может представлять собой либо две связанные между собой пары кварков, либо же все четыре кварка могут быть тесно сцеплены друг с другом. Первый случай напоминает собой необычную молекулу, две части которой вращаются друг вокруг друга.

Чаще всего при исследовании элементарных частиц физики сталкиваются с адронами, содержащими два (мезоны) или три (барионы) кварка. Однако ни один закон природы напрямую не запрещает существование иных систем, содержащих большее количество кварков. Впервые свидетельства существования тетракварков были обнаружены в 2003 году, в японском эксперименте Belle. Впоследствии открытие было подтверждено коллаборацией LHCb. В 2015 году физики CERN сообщили об открытии пентакварка — частицы, содержавшей пять кварков. Однако, все подтвержденные на сегодняшний день частицы содержат в себе кварки не более чем трех ароматов. Новая частица — первая в своем роде.

Владимир Королёв