Большой адронный коллайдер ЦЕРНа обнаруживает три новые экзотические частицы
Коллаборация Большого адронного коллайдера (LHCb), занимающаяся изучением «красивых» кварков, только что объявила об обнаружении новых типов экзотических адронов, никогда ранее не наблюдавшихся: пентакварка и пары тетракварков (дважды заряженный тетракварк и его нейтральный партнер). Эти новые составные частицы помогут физикам лучше понять, как кварки связываются друг с другом.
Напомним, что кварки являются одним из двух семейств элементарных фермионов; они связываются друг с другом посредством сильного взаимодействия, образуя адроны (такие, как протоны или нейтроны). Их можно наблюдать только в этой форме и нельзя выделить. Существует шесть различных кварков, каждый из которых несет дробный электрический заряд элементарного заряда и имеет «аромат»: верхний (u), нижний (d), очарованный (c), странный (s), истинный (t) и прелестный (b).
В классической кварковой модели адроны образуются либо кварк-антикварковыми парами (мезоны), либо тремя кварками (барионы). Частицы, которые не подходят ни под одну из этих категорий, называются «экзотическими адронами». Они были теоретизированы еще в 1964 году Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом, но только через 50 лет физики получили экспериментальные доказательства их существования. В частности, адроны могут объединяться в частицы из четырех или пяти кварков (называемых соответственно тетракварками и пентакварками).
За последние двадцать лет эксперименты на БАК выявили существование нескольких таких экзотических адронов, большинство из которых представляют собой тетракварки или пентакварки, состоящие из очарованного кварка и очарованного антикварка, а остальные два или три кварка являются восходящими, нисходящими или странными кварками, или их антикварками.
За последние двадцать лет эксперименты на БАК выявили существование нескольких таких экзотических адронов, большинство из которых представляют собой тетракварки или пентакварки, состоящие из очарованного кварка и очарованного антикварка, а остальные два или три кварка являются верхним, нижним или странным кварком, или их антикварками.
Совсем недавно коллаборация LHCb открыла другие типы частиц, включая два тетракварка «кажущегося очарования», обнаруженные в 2020 году — считается, что частица «кажущегося очарования» содержит кварк c без эквивалентного антикварка. Первый образец тетракварка «двойного явного очарования» был обнаружен в прошлом году: он состоял из двух c-кварков и двух антикварков (u и d). «Чем больше анализов мы проводим, тем больше экзотических типов адронов мы находим. […] Мы создаем «зоопарк частиц 2.0«», — объясняет Нильс Тунинг, координатор физики LHCb.
Теперь к этому списку добавляются два новых типа экзотических адронов. Первый состоит из кварка c и антикварка c, а также кварка u, кварка d и кварка s — первого в истории пентакварка, содержащего кварк s. Частица наблюдалась при анализе распадов отрицательно заряженных B-мезонов (мезонов, состоящих из b-антикварка и u, d, c или s-кварка).
Команда отмечает, что результат имеет статистическую значимость в 15 стандартных отклонений — что является исключительным в физике частиц, где результат считается значимым, как только достигается 5 стандартных отклонений, что представляет собой вероятность ошибки менее 0,00006% (стандартное отклонение представляет собой разницу между наблюдаемым значением и средним значением, ожидаемым в отсутствие события).
Второй недавно наблюдаемый адрон — это дважды заряженный тетракварк, состоящий из c-кварка, s-антикварка, u-кварка и d-антикварка. Он наблюдался вместе со своим нейтральным аналогом при анализе распадов положительно заряженных B-мезонов и нейтральных B-мезонов. Эти частицы наблюдались со статистической значимостью 6,5 и 8 стандартных отклонений соответственно.
Теоретические модели все еще неопределенны
Несмотря на прогресс, достигнутый в последние годы в плане обнаружения, адроны остаются загадочными частицами, которые физики пытаются раскрыть с помощью экспериментов со столкновениями. Эксперимент LHCb, в частности, направлен на изучение незначительных различий между материей и антиматерией путем изучения красивых кварков. Конечная цель — понять, как и почему материя сменила антиматерию на заре Вселенной, хотя теоретически обе материи были созданы в равных количествах в самом начале. Это исследование также направлено на разгадку тайны темной материи.
Лучшее понимание адронов необходимо для достижения этой цели, поэтому открытие этих новых частиц — еще один шаг вперед. «Нахождение новых типов тетракварков и пентакварков и измерение их свойств поможет теоретикам разработать единую модель экзотических адронов, хотя точная природа этой модели в значительной степени неизвестна«, — объясняет представитель LHCb Крис Паркес.
Действительно, некоторые теоретические модели описывают экзотические адроны как изолированные единицы, состоящие из тесно связанных кварков. Но другие модели представляют их как пары стандартных, слабо связанных адронов — немного похоже на то, как атомы собираются вместе, образуя молекулы. Для того чтобы определить, какую модель (модели) следует принять, потребуются дальнейшие эксперименты. На сегодняшний день на БАК открыто 66 адронов, 59 из них — в эксперименте LHCb.
В ходе третьей кампании по сбору и анализу данных, которая только что началась, нас ждут новые открытия. Вчера, 5 июля, команда ЦЕРН достигла беспрецедентных результатов: последние усовершенствования коллайдера позволили ему достичь рекордной энергии протон-протонных столкновений — 13,6 ТэВ. «Это открывает новую эру исследований в ЦЕРНе«, — сказал генеральный директор ЦЕРН Фабиола Джанотти.