Физики открыли пентакварк и два тетракварка одновременно
Физики из коллаборации LHCb сообщили об обнаружении сразу трех экзотических частиц: странного пентакварка, открыто очарованного дважды заряженного тетракварка, а также его нейтрального партнера. Следы новых адронов проявились в распадах заряженных и нейтральных B-мезонов. Новые результаты отличаются высокой статистической значимостью. Об открытии говорится на сайте коллаборации LHCb, а также в сообщении CERN.
Обновлено: в июле 2023 года статья об открытии пентакварка была опубликована в журнале Physical Review Letters.
Сегодня физикам известно шесть кварков с различными ароматами: верхний (u), нижний (d), странный (s), очарованный ©, прелестный (b) и истинный (t) (последние два часто называют боттом- и топ-кварками). Вместе со своими античастицами они образуют двенадцать базовых элементов, из которых в природе формируется кварковая материя. Чаще всего речь идет о группировке кварков по трое в барионы или по двое в виде кварк-антикварковой пары в мезоны.
Более сложные комбинации кварков считаются экзотическими. И хотя они были предсказаны в то же время, когда появилась кварковая теория, такие частицы начали регистрировать сравнительно недавно благодаря строительству Большого адронного коллайдера. Первый тетракварк коллаборация LHCb надежно увидела в апреле 2014 года, а пентакварк — в 2015 году. Мы регулярно сообщали о подобных открытиях в 2019, 2020 и в 2021 годах. Суммарно на БАКе было обнаружено 66 новых адронов, 59 из которых — заслуга LHCb.
Недавно физики из LHCb выступили с сообщением о том, что им удалось обнаружить сразу три новые частицы: один странный пентакварк, а также дважды заряженный тетракварк и его нейтральный партнер. Пентакварк PΛψs(4338)0 проявил себя в распадах отрицательно заряженного B-мезона B-→J/ψΛp. Он состоит из очарованного кварка и очарованного антикварка, а также верхнего, нижнего и странного кварков. Это первый пентакварк, содержащий странный кварк. Находка имеет огромную статистическую значимость в 15 стандартных отклонений, что намного превышает 5 стандартных отклонений, необходимых для заявления о наблюдении частицы в физике элементарных частиц. Масса и ширина нового пентакварка оказались равными 4338,2±0,7±0,4 и 7,0±1,2±1,3 мегаэлектронвольт, соответственно.
Два тетракварка Tacs0(2900)++ и Tacs0(2900)0 физики увидели при объединенном анализе распадов других B-мезонов: B0→ D0Ds+π- and B+→D-Ds+π+. Первая частица представляет собой открыто очарованный дважды заряженный тетракварк, состоящий из очарованного кварка, странного антикварка, верхнего кварка и нижнего антикварка. Его нейтральный партнер отличается от него последними двумя кварками: верхним антикварком и нижним кварком. Новые тетракварки, наблюдаемые со статистической значимостью 6,5 и 8 стандартных отклонений, представляют собой первый случай наблюдения пары тетракварков. Массы и ширины обоих тетракварков определены как 2,908±0,011±0,02 и 0,136±0,023±0,011 гигаэлектронвольт, соответственно.
На текущий момент физики спорят об интерпретации тетра- и пентакварков. Одни считают их тесно связанной системой кварков, другие предполагают, что экзотические частицы — это аналог молекул, состоящих из отдельных барионов или мезонов.
Возможно, точный ответ на этот вопрос ученые получат в результате третьего сезона работы Большого адронного коллайдера. Совсем недавно на нем начались первые столкновения протонов на энергии 13,6 тераэлектронвольт.
Марат Хамадеев
Статистическая значимость наблюдения составила около семи стандартных отклонений
В эксперименте SND@LHC на Большом адронном коллайдере зарегистрировали мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. Это второй эксперимент на Большом адронном коллайдере, который сообщил о надежной регистрации нейтрино. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Нейтрино — элементарная частица, которая обладает крайне малой массой и слабо взаимодействует с веществом. При этом она играет важную роль в физике. До недавнего времени свойства нейтрино изучали в основном в области низких или сверхвысоких энергий, и широкий диапазон от 350 гигаэлектронвольт до 10 тераэлектронвольт оставался неизученным. Наземным источником нейтрино в этом диапазоне энергий является Большой адронный коллайдер. Однако проблема заключается в том, что большая часть рождающихся в нем нейтрино летит вдоль протонного пучка — в слепой зоне основных детекторов, расположенных на коллайдере. Кроме того, из-за малого сечения взаимодействия, нейтринные события сложно выделить на фоне громадной загрузки детекторов от взаимодействий других частиц. Мы недавно писали, что с этой задачей справился эксперимент FASER, впервые зарегистрировав 153 мюонных нейтрино со статистической значимостью 16 стандартных отклонений. Физики из эксперимента SND@LHC сообщили, что им также удалось зарегистрировать мюонные нейтрино со статистической значимостью около семи стандартных отклонений. В отличие от эксперимента FASER, который регистрирует нейтрино с псевдобыстротами более 8,5, чувствительная область SND@LHC сдвинута от основной оси ускорителя, в результате чего он покрывает диапазон псевдобыстрот от 7,2 до 8,4. В этой области одним из основных источников нейтрино являются распады очарованных адронов, вклад которых в эксперименте FASER пренебрежимо мал. Детектор состоит из мюонного вето, 830-килограммовой мишени и адронного калориметра. Основная мишень поделена на пять слоев, каждый из которых включает вольфрамовую пластину, ядерную фотоэмульсию и электронный трекер. Данные с фотоэмульсий на данный момент еще обрабатываются, поэтому ученые провели анализ данных, набранных только при помощи электронных трекеров. Физики отобрали 8 событий по их геометрическому расположению в детекторе и сигнатуре, соответствующей ожидаемой от мюонных событий. При этом ожидаемый фон составил 0,086 события. Такое превышение сигнала над фоном исключает нулевую гипотезу на уровне 6,8 стандартного отклонения. Количество нейтринных событий в эксперименте оказалось больше ожидаемых 4,2 события. Однако результаты согласуются с предсказанием на основе компьютерного моделирования в рамках полученных ошибок. Большой адронный коллайдер становится новым инструментом для изучения нейтрино в пока плохо изученной области энергий. О том, какие новые технологии используют при изучении нейтрино в области низких энергий мы беседовали с Дмитрием Акимовым, представителем коллаборации COHERENT.
