Физики обнаружили полностью очарованный тетракварк

Физики из коллаборации LHCb обнаружили новый тетракварк, состоящий из двух очарованных кварков и двух очарованных антикварков. Это первая частица, в которой глюонным взаимодействием связаны пары дикварк и антидикварк. Результаты были представлены на семинаре CERN-LHC.

Согласно кварковой модели, сильно взаимодействующие частицы — адроны — образуют либо пары кварк-антикварк (мезоны), либо собираются в группы по три кварка (барионы: нейтрон и протон). Остальные частицы считаются экзотическими, хотя еще в 1964 году Марри Гелл-Манн допускал возможность образования более крупных частиц за счет встраивания пары кварк-антикварк в структуру бариона или мезона.

Только в 2014 году физики, работающие на детекторе LHCb, обнаружили новую частицу Z(4430)⁺, состоящую из 4 кварков: ccdu (с — очарованный, d — нижний, u — верхний). А в 2015 году во время распада Λ_b⁰→ J/ψpK^- физики после анализа результатов первого прогона обнаружили два пентакварка J/ψp, а год назад они представили результаты анализа уже второго прогона работы коллайдера — по новым данным в таком процессе образуются три пентакварка. О том, как обнаруживают тетракварки, мы уже писали четыре года назад в материале «Тетракварки — это Дикий Запад».

Существует несколько областей для поиска экзотических частиц: легкие системы (содержат в себе кварки u,d,s), легко-тяжелые системы (содержат хотя бы один кварк b или c) и дважды тяжелые системы (содержат пару кварк-антикварк c- или b-кварков). Последние экспериментально обнаружить проще всего, так как их спектры узкие и не перекрываются между собой, а из-за большой массы частиц они описываются с помощью моделей квантовой хромодинамики нерелятивистской теории.

Для поиска новых тетракварков физики рассчитали возможную массу тетракварка T_cccc и проанализировали данные двух сезонов работы коллайдера. По предположению ученых тетракварк T_cccc распадается на два мезона J/ψ (пара очарованный кварк-антикварк). Для поиска такого распада исследователи отобрали более 33 тысяч событий распада J/ψ → μ⁺μ^- (мюон и антимюон).

В ходе анализа ученые обнаружили узкий пик с энергией в 6900 мегаэлектронвольт и широкий пик в промежутке 6400-6600 мегаэлектронвольт. При попытке описания спектра в предположении об отсутствии новых частиц физики получили значительное отклонение, превышающее допустимые пять стандартных отклонений, в промежутке 6200-7400 мегаэлектронвольт, что подтверждает наличие в этом промежутке новой частицы. При этом пик с энергией в 6900 мегаэлектронвольт хорошо соотносится с образованием тетракварка T_cccc, а широкий пик может появиться по нескольким причинам — либо это другие состояния тетракварка T_cccc, либо состояние тетракварка интерферирует с одночастичным безрезонансным рассеянием, либо происходит более сложный распад.

На сегодняшний день нет единого понимания структуры многокварковых частиц. Либо это одна частица с тесно связанными кварками в своей структуре, либо это молекула из нескольких J/ψ мезонов. Новый тетракварк T_cccc — пример необычной комбинации четырех кварков, при том структура его содержит очарованные дикварк и антидикварк, которые связаны между собой глюоным взаимодействием. Это подтверждается тем, что масса обнаруженных частиц больше массы известных частиц чармония (пара очарованных кварка-антикварка) и экзотических X,Y,Z частиц. Однако молекулярная теория строения таких частиц все еще не опровергнута. А потому требуется больше экспериментов, которые авторы работы ожидают от третьего сезона работы LHCb — его старт запланирован на март 2021 года.

Об обнаружении на Тэватроне первого тетракварка, в котором все кварки были различны, сообщили четыре года назад. Однако буквально через месяц коллаборация LHCb с более точным детектором подвергла сомнению его существование, а потому ко всем новым частицам в коллаборации LHCb относятся с достаточным скептицизмом.

Артем Моськин