В БАК нашли сразу пять новых очарованных состояний

Физики из коллаборации LHCb сообщили об обнаружении сразу пяти новых кварковых состояний в одном канале распада — различных возбуждений очарованного омега-бариона. Ученые отмечают редкость такого открытия и сравнивают его с недавней находкой сразу семи землеподобных экзопланет у звезды TRAPPIST-1. Препринт исследования опубликован на сервере arXiv.org, кратко о нем сообщает пресс-релиз научной группы.

LHCb — четвертый по величине эксперимент Большого адронного коллайдера, разработанный для исследования частиц, в состав которых входит прелестный (b) кварк. Детектор не участвовал в поисках бозона Хиггса, но с его помощью были получены не менее важные результаты: обнаружен новый класс частиц — пентакварки, найдены аномалии в ряде распадов B-мезонов. Одна из главных целей LHCb, как и всего ускорительного комплекса, — поиск Новой физики за пределами Стандартной модели (основной модели, описывающей превращения элементарных частиц). 

Согласно Стандартной модели, существует несколько групп частиц: кварковая материя (адроны), лептоны (нейтрино и аналоги электронов) и переносчики взаимодействий (фотоны, бозоны). Кроме того, модель определяет то, как эти частицы вступают друг с другом в слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия. Любые отклонения от нее — не предсказанные явления или частицы — указывают на свойства Новой физики.

Поиск новых частиц на детекторе устроен следующим образом. В результате столкновения протонов, разогнанных до огромных энергий, образуется огромное количество короткоживущих частиц-«осколков». Эти частицы распадаются по своим каналам распада, образуя еще большее количество «осколков» с меньшей энергией, но большим временем жизни. Детектор отлавливает все частицы, вылетевшие под определенным углом из точки пересечения пучков встречных протонов. По поведению частиц в магнитном поле и характеру взаимодействия со слоями детектора физики определяют природу и энергию этих «осколков». 

На следующем этапе ученые отбирают события, в которых родились интересующие типы частиц-«осколков» и строят энергетический спектр — зависимость количества событий от суммарной энергии родившихся частиц. Если в ходе столкновения протонов происходило рождение частицы с определенной массой покоя (или короткоживущего состояния), то на спектре возникнет пик с энергией соответствующей этой массе. 

В новой работе физики исследовали события, в ходе которых рождались очарованные кси-барионы ( Ξ_c⁺, состоят из очарованного c-, странного s-и верхнего u-кварков). Это короткоживущие частицы, поэтому исследователи отбирали их по характерным «осколкам» — набору из протона (u-, u- и d-кварки), каона (s- и анти-u-кварки) и пиона (u- и анти-d-кварк), а также на основе того, какое расстояние кси-барион успевал пролететь от места столкновения протонов. Из этого списка событий ученые отобрали те, где одновременно с кси-барионом рождался еще один каон. В анализ вошли данные, собранные при энергии столкновений протонов в 7, 8 и 13 тераэлектронвольт (Run 1 и начало Run 2).

Эти события, по предсказаниям физиков, соответствовали распаду нейтрального очарованного омега-бариона Ω_c⁰. Он состоит из двух странных и одного очарованного кварка. Данные о спектре этой частицы довольно скудны. Ученых интересуют возбужденные состояния частиц: объекты, обладающие тем же кварковым составом, но большей внутренней энергией. Похожие состояния существуют у более крупных систем: ядер после протекания реакций слияния, атомов, облученных светом. Исследование возбужденных состояний позволяет лучше изучить сильные взаимодействия между кварками в частице.

В энергетическом спектре распадов омега-бариона ученые обнаружили сразу пять пиков с очень высокой статистической значимостью — от 10 до 23 сигма (порог для уверенного заявления об открытии в физике элементарных частиц составляет пять сигма). Это очень редкая ситуация для подобных исследований. Частицы получили названия Ω_c(3000)⁰, Ω_c(3050)⁰, Ω_c(3066)⁰, Ω_c(3090)⁰ и Ω_c(3119)⁰ — числа обозначают энергию резонанса в мегаэлектронвольтах. 

Интересно, что омега-барионы сыграли важную роль в создании кварковой модели частиц. На ее основе Марри Гелл-Ман, получивший Нобелевскую премию «за открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий», предсказал существование и массу омега-гиперона. Эта частица состоит из трех странных кварков и имеет массу немного меньше, чем у омега-бариона, исследованного в новой работе. 

За время Run 2 (2015-2016 годы) эксперименты Большого адронного коллайдера собрали огромную статистику протон-протонных столкновений на энергии 13 тераэлектронвольт. В прошлом году светимость ускорителя достигла значений, превышающих проектные. Собранные данные все еще обрабатываются — так, лишь 16 марта LHCb опубликовала первую работу, охватывающую большую часть Run 2. Сейчас Большой адронный коллайдер остановлен для технического обслуживания, которое продлится до мая 2017 года. Летом детекторы ускорителя снова начнут собирать данные.

Владимир Королёв