Физики впервые измерили время жизни дважды очарованного бариона

Группа LHCb оценила время жизни дважды очарованного бариона, открытого в прошлом году: оказалось, что оно примерно равно 0,256±0,037 пикосекунд. Для анализа ученые использовали те же данные, в которых они впервые увидели резонанс, отвечающий новой частице. Статья опубликована в Physical Review Letters и находится в свободном доступе.

Все адроны состоят из двух (мезоны), трех (барионы) или более кварков — фундаментальных частиц, входящих в состав Стандартной модели. Кварки являются фермионами, то есть имеют полуцелый спин, а их электрический заряд составляет ±⅓ или ±⅔ от заряда электрона. Кроме того, кварки имеют еще одну внутреннюю характеристику — цвет, — которая определяет, как частицы участвуют в сильном взаимодействии. Все устойчивые комбинации кварков, связанные глюонами, должны быть бесцветными из-за конфайнмента. Например, мезоны состоят из кварка и антикварка, а в состав бариона обязательно входит красный, синий и зеленый кварки, которые компенсируют цвета друг друга.

По большей части привычная для нас барионная материя сложена из самых легких кварков — верхнего (u) и нижнего (d). В частности, протон состоит из тройки (uud), а нейтрон — из тройки (udd). Частицы с составом (uuu) и (ddd) тоже существуют (это так называемые дельта-резонансы), однако время их жизни не превышает 10⁻²³ секунд, и они быстро распадаются на более стабильные частицы. Кроме того, в природе существует еще четыре вида (аромата) кварков — странный (s), очарованный (c), прелестный (b) и истинный (t) кварк, которые тоже могут входить в состав барионов. Чем больше масса кварка, тем сложнее получить в эксперименте барион, который его содержит. В настоящее время хорошо изучены только частицы, состоящие из u, d, s кварков, однако с открытием ускорителей, сравнимых с Большим адронным коллайдером, физики смогли изучить и более экзотические комбинации.

Так, в сентябре 2017 года исследователи из ЦЕРН сообщили, что с помощью детектора LHCb им удалось зарегистрировать резонанс, отвечающий распаду частицы с массой около M_Ξ ≈ 3621,40±0,78 мегаэлектронвольт на очарованный Λ-барион, каон и пару π^±-мезонов. Это совпало с теоретическими предсказаниями для дважды очарованного бариона Ξ_cc⁺⁺, который состоит из двух очарованных и одного верхнего кварка (ucc). Подробнее про работы детектора LHCb можно прочитать в нашем материале «Прелестный кварк летит вперед». К сожалению, тогда ученые не успели рассчитать время жизни открытой частицы, хотя этот параметр очень важен для изучения ее природы. В частности, он позволяет рассчитать сечения распада частицы в различные каналы и уточнить, какую роль играют в них сильные и слабые взаимодействия.

В новой статье группа LHCb приводит результаты такого расчета, выполненного для того же набора данных, который позволил открыть новую частицу. Для этого исследователи рассмотрели цепочку распадов Ξ_cc⁺⁺ → Λ_c⁺K⁻π⁺π⁻ и Λ_c⁺ → pK⁻π⁺, а затем численно смоделировали процессы, происходящие на Большом адронном коллайдере: столкновение протонов (пакет Pythia), производство дважды очарованного бариона (GenXicc2.0), распад частицы (EvtGen), излучение в конечное состояние (Photos) и взаимодействие излучения с веществом детектора (Geant4). Кроме того, ученые сравнивали полученные результаты с распадом контрольной частицы, время жизни которой хорошо известно: Λ_b⁰ → Λ_c⁺π⁻π⁺π⁻. Это позволило уменьшить систематическую погрешность конечного результата.

Затем ученые сравнили результаты реальных наблюдений и компьютерную симуляцию, построив график отношения двух распределений (decay-time acceptance) и определив по нему время распада дважды очарованного бариона. Грубо говоря, исследователи сдвигали распределения по времени и проверяли, в какие моменты совпадение максимально. Оказалось, что время жизни бариона примерно равно 0,256±0,037 пикосекунд (одна пикосекунда = 10⁻¹² секунд), что немного меньше, чем предсказывали теоретические модели.

Физики исследуют дважды очарованный барион сравнительно недолго — впервые о его открытии ученые из ЦЕРН объявили на конференции EPS в июле прошлого года, а соответствующая статья в рецензируемом научном журнале вышла только в сентябре. Правда, в начале прошлого десятилетия группа SELEX также сообщала об открытии бариона с массой M_Ξ ≈ 3519±2 мегаэлектронвольт и временем жизни около 33 фемтосекунд, в восемь раз меньшем нового результата. Тем не менее, последующие наблюдения, выполненные группами BABAR, BELLE и LHCb, не смогли подтвердить этот результат.

В ноябре прошлого года физики-теоретики Марек Карлинер (Marek Karliner) и Джонатан Роснер (Jonathan Rosner) показали, что при слиянии очарованных Λ-барионов в дважды очарованный барион выделяется энергия порядка 12 мегаэлектронвольт, что находится на уровне обычных термоядерных реакций. Если же заменить в частицах c-кварки b-кварками, можно добиться еще большего энергетического выхода (более 140 мегаэлектронвольт). Интересно, что статья ученых была опубликована в журнале Nature, который очень редко освещает физику частиц и теоретическую физику вообще.

Дмитрий Трунин