Большой адронный коллайдер впервые получил чармоний со спином 3
Группа LHCb открыла новое возбужденное состояние чармония ψ3(1D) — частицу, которая состоит из c-кварка и с-антикварка, имеет массу 3843 мегаэлектронвольт и спин, равный трем. Для этого ученые проанализировали данные о рождении D+D− и D0D̅0-мезонов, собранные на Большом адронном коллайдере между 2011 и 2018 годом. Об открытии ученые рассказали на конференции The International Workshop «e+e− Collisions From Phi to Psi 2019», кратко о нем сообщает пресс-служба Института ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН.
Частицу, которая состоит из кварка и антикварка одного и того же аромата, физики называют кварконием. Как правило, этот термин используют только для связанных состояний тяжелых кварков — чармония (c-кварк плюс c-антикварк) и боттомония (b-кварк плюс b-антикварк), потому что физические состояния легких кварков (u, d, s) в эксперименте всегда наблюдаются в суперпозиции (грубо говоря, «смешиваются» друг с другом). Впервые ученые обнаружили кварконий более сорока лет назад — в 1974 году сразу две группы физиков открыли J/ψ-мезон, который представлял собой возбужденное состояние чармония. В настоящее время физикам известно более десяти частиц, состоящих из c-кварка и c-антикварка (и примерно столько же для b-кварков и антикварков).
На первый взгляд, такое разнообразие кажется неестественным — ведь все такие частицы состоят из одних и тех же кварков. Тем не менее, важно помнить, что свойства мезонов и адронов зависят не столько от их «состава», сколько от того, в каком порядке кварки расположены внутри частицы. Например, если «отодвинуть» кварки друг от друга, энергия их связи вырастет, а вместе с ней увеличится масса частицы. Аналогичным образом можно изменить спин, четность и другие квантовые числа. Например, основное состояние чармония — ηc(1S)-мезон, — имеет массу около 2,98 гигаэлектронвольт и нулевой спин, а первое возбужденное состояние — J/ψ-мезон — «весит» 3,096 гигаэлектронвольт и имеет единичный спин. Поведение возбужденного состояния — например, каналы и вероятности распада — отличается от поведения исходной частицы, поэтому физики рассматривают возбужденные состояния как самостоятельные частицы. К сожалению, далеко не все состояния, которые предсказывает Стандартная модель, наблюдались на практике. В то же время, чтобы проверить предсказания теории и, возможно, найти многообещающие отклонения, нужно закрыть все ее «пробелы».
Группа LHCb обнаружила еще одно возбужденное состояние чармония — частицу ψ3(1D), — тем самым подтвердив теоретические предсказания. Масса новой частицы примерно равна 3843±1 мегаэлектронвольт, а ширина распада — всего 3±1 мегаэлектронвольта. Эта ширина примерно в 10–20 раз меньше характерной ширины распада других возбужденных состояний чармония, однако она совпадает с теоретическими предсказаниями для состояния со спином 3. Поэтому ученые считают, что обнаруженная частица действительно является состоянием ψ3(1D). Впрочем, окончательно это подтвердить удастся только после измерения ее квантовых чисел.
Чтобы разглядеть новую частицу, ученые сталкивали на Большом адронном коллайдере протоны и наблюдали за рождением пар D+D− и D0D̅0-мезонов — частиц, которые состоят из одного c-кварка и u- или d-антикварка (или соответствующих античастиц). Постепенно в зависимости частоты столкновений от инвариантной массы пар мезонов (как говорят физики, в спектре) образовался «холмик», который указывал на новую частицу с массой 3843 мегаэлектронвольта. После этого ученые еще полгода перепроверяли данные, прежде чем рассказать о них на конференции (впрочем, точные данные о статистической значимости открытия в докладе не приводятся, хотя докладчик утверждает, что она достаточно велика). Подробнее об этом процессе можно прочитать в статье «Анатомия одной новости». Ранее такие распады не удавалось обнаружить, поскольку наблюдаемый сигнал довольно слабый, и собранных данных было недостаточно. В этом анализе ученые использовали данные, собранные детектором LHCb за период между 2011 и 2018 годом.
О том, как ученые ищут «новую физику» с помощью детектора LHCb, можно прочитать в интервью Гая Уилкинсона и Рольфа Линднера — официального представителя и технического директора проекта. Как исследователи анализируют большие объемы данных, чтобы найти среди них распады новых частиц, рассказывает материал «Рудник нолей и единиц». А о последних открытиях Большого адронного коллайдера можно узнать из рубрики «Второй сезон коллайдера». В частности, в этой рубрике рассказывается, как ученые открыли тетракварки и пентакварки, нашли дважды очарованный барион и увидели рассеяние фотона на фотоне.
Дмитрий Трунин
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.