На Большом адронном коллайдере открыли новую частицу, состоящую из пары очарованных кварков.

Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН и Новосибирский государственный университет, объявила об открытии новой частицы, состоящей из пары c-кварка и анти c-кварка.

Эта разновидность чармония получила обозначение ψ3(1D). Её экспериментальное наблюдение позволило закрыть один из пробелов в кварковой модели. Результаты были представлены на Международном совещании по электрон-позитронным столкновениям, которое проходило в ИЯФ СО РАН с 25 февраля по 1 марта 2019 года.

Кварковая модель или квантовая хромодинамика (КХД) – часть современной теории микромира, Стандартной модели, описывающая образование составных частиц из кварков, «склеенных» друг с другом сильным взаимодействием. Кварки – не имеющие внутренней структуры фундаментальные частицы, обладающие электрическим зарядом, кратным e/3. Из них состоят более сложные частицы, называемые адронами, примерами которых служат протоны и нейтроны. Кварки не наблюдаются в свободном состоянии. В настоящее время известно 6 разных «сортов» или ароматов кварков. Многие частицы кварковой модели уже наблюдались экспериментально, и их свойства определены с высокой точностью.

Один из видов кварков называется очарованным и обозначается буквой с (от английского названия: charm). Частицы, состоящие из c-кварка и анти c-кварка, получили название чармоний. Они относятся к мезонам, поскольку состоят из равного количества кварков и антикварков. Как и атомы, чармоний может иметь возбужденные состояния с разной энергией, в которых кварки находятся в различных квантовых состояниях. По сути – это целый спектр частиц с различными массами, которые состоят из одних и тех же кварков. Все эти частицы так и называют «состояниями чармония». Наблюдение за такими возбужденными состояниями и измерение их свойств служит способом тестирования кварковых моделей.

Первым в 1974 году был обнаружен самый легкий чармоний (первое состояние) джи-пси мезон (J/ψ-мезон). Его первооткрывателям была присуждена Нобелевская премия по физике1976 года с формулировкой «за основополагающий вклад в открытие тяжёлой элементарной частицы нового типа». С тех пор было открыто уже более 20 состояний чармония. Но всё ещё остаются белые пятна – частицы, которые предсказываются моделью, но не наблюдаются в эксперименте. Некоторые из них не могут найти уже много лет.

В последние годы наблюдается всплеск интереса к чармонию после открытия состояний, которые не вписываются в его обычный спектр. Кроме того, знание полной совокупности обычных состояний помогает идентифицировать экзотические состояния с более чем тремя кварками, такими как тетракварки и пентакварки, которые были предсказаны КХД, но обнаружены только недавно. Зная все обычные возбужденные состояния, физики могут быть уверены, что оставшиеся – экзотические.

Чтобы «поймать» новую частицу, коллаборация LHCb изучила распады состояний чармония, возникающих при протон-протонных столкновениях, в пары D-мезонов, используя данные, зарегистрированные в период с 2011 по 2018 годы. D-мезоны — самые легкие частицы, содержащие очарованные кварки. В результате исследователям удалось обнаружить новую частицу со значением спина 3. Это первое наблюдение состояния чармония с таким спином. Открытие стало возможно именно сейчас благодаря тому, что в эксперименте на LHCb было набрано необходимое количество статистики. Однако, несмотря на то, что физики сообщили об открытии после полугодовой проверки, имеющихся данных недостаточно, чтобы идентифицировать частицу полностью, поэтому необходимо продолжать набор статистики.

Физики собираются проверить полученный результат в эксперименте Belle II на модернизированном коллайдере SuperKEKb (Япония), в котором изучается столкновение электронов и позитронов. В нём также участвуют специалисты из ИЯФ СО РАН. Правда, в этом случае они ожидают, что Belle II наоборот, не увидит эту частицу. Дело в том, что частицы со спином 3 не должны рождаться в электрон-позитронных столкновениях. 11 марта Belle II начнёт набор данных.

Помимо участия в международных коллаборациях LHCb и Belle II, специалисты ИЯФ СО РАН и НГУ проводят и собственные исследования в области физики элементарных частиц на ускорительных комплексах ВЭПП-2000 и ВЭПП-4М. Например, ранее на детекторе КЕДР с самой лучшей в мире точностью была измерена масса J/ψ-мезона. Кроме того, идет интенсивная работа над новым будущим проектом Супер C-Тау фабрики, который позволит вести исследования физики чармониев на качественно новом уровне.

Примечание. LHCb (от англ. Large Hadron Collider beauty experiment) – один из четырех основных детекторов на Большом адронном коллайдере (CERN). Эксперимент проводится для исследования асимметрии материи и антиматерии в взаимодействиях b-кварков (прелестные или beauty кварки). LHCb поможет ответить на вопросы, что произошло после Большого взрыва, как образовался мир, в котором мы живем сегодня, почему в ходе эволюции Вселенной исчезло антивещество.