Физики обнаружили дважды открыто очарованный тетракварк

На эксперименте LHCb Большого адронного коллайдера обнаружили новую частицу — тетракварк T_cc⁺, который состоит из двух очарованных кварков и двух легких антикварков — верхнего и нижнего. Это первая надежно открытая частица такого типа, в составе которой имеется два очарованных кварка вместо пары кварк-антикварк, и наиболее стабильный из найденных экзотических адронов. Об открытии физики заявили на онлайн-конференции Европейского физического общества, коротко о результате сообщается на сайте Института ядерной физики имени Будкера, чьи ученые стали соавторами работы.

Согласно современным представлениям, все сильно взаимодействующие элементарные частицы — адроны — состоят из шести типов кварков (и соответствующих антикварков). При этом в природе мы наблюдаем барионы — системы из трех кварков или трех антикварков — к ним относятся протон и нейтрон, и мезоны — пары кварк-антикварк — такие образуются, например, при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли.

Однако в середине шестидесятых годов, еще на этапе создания кварковой модели, ее автор, Марри Гелл-Манн, предсказал существование и более сложных — экзотических частиц за счет встраивания кварк-антикварковых пар в барионную или мезонную структуру (подробнее об этом можно узнать в материале «Восьмеричный путь Вселенной»).

Спустя полвека после предсказания Гелл-Манна, в 2014 году в эксперименте LHCb ученые впервые надежно пронаблюдали такую частицу — тетракварк Z(4430)^—. Хотя с тех пор было обнаружено уже два десятка экзотических адронов, окончательно разобраться в их устройстве физикам пока не удалось.

Теперь коллаборация LHCb сообщила об открытии нового тетракварка — T_cc⁺, в составе которого два c-кварка (сравнительно тяжелых, массой порядка гигаэлектронвольта — сопоставимо с массой протона), а также u- и d-антикварки (массами на три порядка меньше, в единицы мегаэлектронвольт). Такой состав отличает частицу от ранее открытых тетракварков — до недавнего времени надежно наблюдавшиеся частицы имели скрытое очарование, то есть в их составе одновременно были c-кварк и c-антикварк.

Для регистрации физики использовали данные первого и второго сезонов работы коллайдера, которые детекторы собирали с 2011 по 2018 год. Новую частицу исследователи искали в протон-протонных столкновениях по ее распадам на пару D⁰-мезонов и один π⁺-мезон, с дальнейшим распадом первых на π⁺- и K^--мезоны.

В результате физикам удалось зарегистрировать около двухсот событий рождения T_cc⁺ и подтвердить открытие этой частицы со значимостью свыше 10 стандартных отклонений (что практически исключает вероятность случайной флуктуации, которую исследователи бы приняли за сигнал).

Как отмечают авторы, новая частица имеет сравнительно узкую ширину распада — всего около половины мегаэлектронвольта при типичных значениях в десятки–сотни мегаэлектронвольт — то есть в среднем T_cc⁺ существует на порядки дольше подобных кварковых структур и на сегодняшний день становится наиболее стабильным из известных экзотических адронов. Есть теоретические основания полагать, что эта особенность обусловлена именно наличием в составе частицы двух тяжелых кварков.

Еще одно интересное свойство частицы — близость ее массы к массе пары D-мезонов (одного нейтрального и одного возбужденного положительно заряженного). При массе тетракварка почти в четыре гигаэлектронвольта эта разница, по предварительным расчетам, составила всего десятые доли мегаэлектронвольта — меньше сотой доли процента, причем со значимостью 4,3σ тетракварк легче пары D-мезонов. Причина такого совпадения на данный момент не ясна.

Кроме того, продукты распада T_cc⁺ сравнительно легко детектировать — в совокупности со стабильностью тетракварка это облегчит в дальнейшем точные измерения свойств частицы.

В частности, исследователей интересует внутренняя структура системы. На сегодняшний день однозначно не ясно, является ли она атомоподобной — то есть тяжелые кварки упакованы компактно в центре и окружены облаком из легких антикварков, или больше напоминает молекулу — то есть представляет пару тяжелых мезонов (в каждом — по одному c-кварку и одному легкому антикварку), которые разделены расстоянием примерно в 10 раз больше собственного размера.

Также открытие T_cc⁺ поможет в поисках похожей частицы — тетракварка, который вместо c-кварков содержит пару b-кварков (еще более тяжелых). Ожидается, что такая частица практически не сможет распадаться по механизмам сильного взаимодействия, так как ее масса будет меньше массы возможных продуктов распада — это заставит тетракварк распадаться в слабом взаимодействии и увеличит время его жизни еще на несколько порядков.

Ранее мы рассказывали о том, как физики обнаружили полностью очарованный тетракварк. Подробнее о том, как открывают экзотические адроны, можно узнать в нашем материале «Тетракварки — это Дикий Запад».

Николай Мартыненко