Физики увидели новый пентакварк и «раздвоение» старого

Физики, работающие на детекторе LHCb Большого адронного коллайдера, объявили об открытии нового, уже третьего по счету пентакварка — частицы, состоящей из пяти кварков. Также были получены данные, что один из ранее известных пентакварков может быть на самом деле двумя разными, хотя и близкими по массе частицами. Доклад об этих результатах был сделан на конференции Moriond QCD, коротко они описаны в сообщении на сайте LHCb.

Большинство адронов — частиц, построенных из кварков, относятся к двум классам: состоящие из трех кварков (барионы: протоны, нейтроны), либо из двух кварков (мезоны). Еще в 1960-е годы Марри Гелл-Манн, основатель кварковой теории, предполагал, что пары кварк-антикварк могут добавляться к барионам или мезонам. Однако только спустя полвека удалось обнаружить свидетельства существования частиц, образованных более чем из трех кварков: в апреле 2014 года коллаборация LHCb обнаружила, что частица Z(4430)⁺, обнаруженная на ускорителе Belle, состоит из четырех кварков (cc̅du̅). Подробнее о поисках тетракварков можно прочитать в нашем материале «Тетракварки — это Дикий Запад».

В 2015 году коллаборация LHCb представила первые доказательства существования пентакварков. Они были обнаружены при анализе данных о распаде прелестных барионов Λ_b, собранных за первый «сезон» (Run 1) работы коллайдера. Эта частица состоит из прелестного, верхнего и нижнего кварков и существует порядка пикосекунды, после чего распадается на другие частицы. Оказалось, что при распаде на протон и два мезона (каон и J/ψ) иногда возникает промежуточная частица, которая дает жизнь протону и J/ψ. Их кварковый состав и указал, что это пентакварк, состоящий из очарованных кварка и антикварка, а также двух нижних кварков и одного верхнего. Измерения показали, что пентакварков может быть два варианта с разными энергиями, это P_c(4450)⁺ и P_c(4380)⁺ — здесь в скобках указана энергия в мегаэлектронвольтах.

Теперь коллаборация LHCb представила анализ данных, собранных уже за два «сезона» работы коллайдера. Для дальнейшего изучения было отобрано 27 тысяч событий распада Λ_b⁰→ J/ψpK^-, что в девять раз больше, чем было собрано по итогам Run 1.

В результате ученые обнаружили новый пик — на энергии 4312 мегаэлектронвольт, что свидетельствует о существовании нового пентакварка, получившего обозначение P_c(4312)⁺. Статистическая значимость сигнала — 7,3 стандартных отклонения, что значительно выше принятого в физике частиц порога для открытия в 5 сигма. Кроме того, на месте пика на 4450 мегаэлектронвольта обнаружилось два — на 4440 и 4457, а значит, вместо пентакварка P_c(4450)⁺ существуют два: P_c(4440)⁺ и P_c(4457)⁺. Статистическая значимость существования двух пиков вместо одного составила 5,4 стандартных отклонения.

Обнаруженные пентакварки состоят из четырех кварков (duuc) и одного c-антикварка. На данный момент понимания структуры этих объектов нет, но существует две возможные интерпретации. Согласно одной частицы представляют собой связанные состояния всех пяти кварков, а по другой — это «молекулы» бариона и мезона. Гипотеза «молекулы» лучше объясняет то, что полученные пентакварки представлены узкими пиками на графике, а их массы несколько меньше, чем могли бы иметь в сумме состоящие из тех же кварков сигма-барионы Σ_c⁺ и D̅⁰-мезоны. Если эта интерпретация верна, то данным состояниям запрещено распадаться на Σ_c⁺-барион и D̅⁰ или D̅^*0-мезон, так как разница масс соответствует энергии связи между адронами. С другой стороны им разрешено распадаться на J/ψ-мезон и протон, но в такой конфигурации с-кварку и с-антикварку затруднительно сблизиться так тесно, чтобы образовать связанное состояние, то есть J/ψ-мезон, поэтому вся система оказывается относительно стабильной и представлена на графике узким пиком. Вместе с тем, ученые подчеркивают, что для полного понимания строения наблюдаемых состояний требуется больше экспериментальных данных, так как описание в модели связанного состояния всех пяти кварков по-прежнему остается возможным.

Коллаборация LHCb — самая маленькая из четырех основных экспериментов Большого адронного коллайдера. Ее основная цель — исследование распадов частиц, содержащих в своем составе прелестный (b) кварк. В частности, физики ищут следы очень редких процессов, которые могут указать на нарушения Стандартной модели. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале о самых редких событиях микромира.

Тимур Кешелава