Новый экзотический тетракварк скоро получит свой паспорт

: 03.09.2021

Новость об открытии специалистами коллаборации LHCb ЦЕРН (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям) экзотического тетракварка T_cc+, которая впервые была объявлена на конференции Европейского физического общества в конце июля, активно обсуждается в профессиональном сообществе. Сегодня коллаборация LHCb, в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), Новосибирский государственный университет (НГУ), Институт теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова НИЦ «Курчатовский институт» (ИТЭФ) и др., представила уточненные «паспортные данные» новой частицы, то есть ее основные параметры. Оказалось, новая частица живет беспрецедентно дольше своих собратьев — в 100-5000 раз. Кроме того, ученые выяснили, что T_cc+ — это большой по размерам объект, примерно равный ядру атома урана. Также ученым удалось установить некоторые квантовые числа новой частицы и проработать гипотезы о ее внутренней структуре. Однако, как они отмечают, эти данные требуют дополнительной проверки. Результаты исследования направлены в журналы Nature Physics и Nature Communications, и доступны на сервере препринтов arXiv. Участники коллаборации посвятили научную публикацию об открытии T_cc+ памяти выдающегося физика, Семена Эйдельмана, который проработал в ИЯФ СО РАН и НГУ много лет.

Одна из возможных внутренних структур новой частицы. Источник: ЦЕРН (home.cern)

Экзотический тетракварк T_cc+ сильно выделяется среди собратьев и представляет собой новую форму материи. Это единственный известный науке дважды очарованный тетракварк, то есть содержащий сразу два очарованных кварка, но не имеющий в своем составе очарованных антикварков. Кроме того, это рекордсмен-долгожитель: время его жизни, по уточненным данным, в 100-5000 раз больше частиц с похожей массой.

Для того чтобы лучше понять, что представляет собой новая частица, каковы ее параметры, требуется детальное изучение ее свойств, другими словами, сбор «паспортных данных». «Паспорт частицы — это достаточно условный термин. По аналогии с паспортом человека, где указаны его имя, дата рождения и другие личные характеристики, паспорт частицы также содержит ее основные свойства. В частности, более внимательное рассмотрение свойств T_cc+ показывает, что это довольно уникальное образование, требующее детального изучения», — прокомментировал участник коллаборации LHCb, заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН академик РАН Александр Бондарь.

Главные характеристики частиц, отличающие одну от другой, — это их масса, время жизни и квантовые числа. Масса частицы в квантовой механике измеряется также в энергетических величинах, поскольку связана с суммарной энергией знаменитым соотношением E=mc². По уточненным данным, масса T_cc+ составляет 3874.73 МэВ, то есть меньше суммы масс D⁰ и D^*+ мезонов на 359 кэВ (с погрешностью приблизительно 40 кэВ). Квантовые числа — это целые или дробные числа, характеризующие элементарные частицы в квантовой системе. Основные квантовые числа — полный угловой момент, пространственная четность и изотопический спин. Квантовое число полного углового момента никогда не бывает отрицательным и может принимать значения (0, 1/2, 1, 3/2 и т.д.).

Новая частица Tcc проявляет себя как красный узкий пик автор CERN

Новая частица Tcc+ проявляет себя как красный узкий пик. Автор изображения - коллаборация LHCb

«Адроны имеют большое разнообразие возможных состояний, простейший вариант — это мезон, который состоят из кварка и антикварка, — пояснил Александр Бондарь. — Если один кварк тяжелый, а другой легкий, система напоминает атом водорода, который состоит из протона и электрона. Возможные уровни (или энергетические состояния) для электрона в такой системе зависят от квантовых чисел возбуждения. В основном состоянии это псевдоскаляр, то есть суммарный угловой момент у атома равен нулю, а пространственная четность отрицательная. По аналогии с атомом водорода в такой системе могут возникать возбужденные состояния: электрон переходит на другой энергетический уровень, где получает определенную энергию или, что эквивалентно, массу. И тогда у адрона могут быть различные квантовые числа, хотя кварковый состав один и тот же. Например, полный угловой момент J может быть 0, 1, 2, 3 и так далее, и может быть пространственная четность -1 или +1».

Аналогично квантовые числа определяются и для тетракварка T_cc+ и более сложных кварковых состояний. В данном случае у частицы полный угловой момент единица, а пространственная четность положительная. Это не является строго доказанным фактом, а следует из того, что масса этой частицы очень близка к сумме масс D⁰ и D^*+ мезонов. У D⁰-мезона полный момент равен нулю и четность отрицательная, а у D^*+-мезона полный момент единица и четность тоже отрицательная. Если две такие частицы собрать в систему с минимально возможной энергией, тогда квантовые числа такой частицы должны быть 1+. При детальном рассмотрении пика T_cc+ оказалось, что масса частицы ниже порога распада на два таких D-мезона (где D⁰ — это основное состояние D-мезона, а D^*+ — заряженный возбужденный D-мезон).

«Это важно, потому что может указывать на молекулярную структуру тетракварка (по аналогии с обычной молекулой, две тяжелые частицы связаны, но находятся друг относительно друга на большом расстоянии), — прокомментировал участник коллаборации LHCb, старший научный сотрудник ИТЭФ кандидат физико-математических наук Иван Беляев. — Наша частица распадается на систему D⁰D⁰π+, а частица, устроенная таким образом, должна распадаться и в другие конечные состояния — D⁺D⁰π⁰ и D⁺D⁰γ. Мы действительно видим надежный сигнал и в этом конечном состоянии — просто фантастика! Используя метод Шерлока Холмса, мы получили сильный аргумент в пользу того, что изотопический спин Т_сс+ равен нулю. На это указывают наблюдения сигналов в конечных состояниях D⁺D⁰π⁰ и D⁺D⁰γ и их величина по сравнению с сигналом в конечном состоянии D⁰D⁰π+. Если бы изотопический спин был бы равен единице, то у нашей частицы обязательно были бы еще две “сестры”: одна с электрическим зарядом 0, другая с зарядом +2. В каком-то смысле изотопический спин как раз и характеризует, есть ли у частицы “сестры” и сколько их. Такие частицы очень легко обнаружить. На наличие “старшей сестры” с зарядом +2 указывали бы сигналы в конечных состояниях D⁺D^*+ и D⁺D⁺π⁰. Мы провели поиск таких сигналов — и не обнаружили их. “Младшую сестру" с электрическим зарядом 0 легко было бы обнаружить по сигналам в конечных состояниях D⁰D⁰π⁰ и D⁰D⁰γ (эти сигналы должны были бы быть примерно в три раза больше, чем наблюдаемый нами сигнал T_cc+ в конечном состоянии D⁰D⁰π⁺). И опять-таки, мы не видим их! То есть совершенно определенно, что T_cc+ — “единственный ребенок в семье”, или, на научном языке, изоспин T_cc+ не может быть равен единице, и значит он равен нулю».

Еще один параметр, который характеризует частицу — ширина, или величина, обратная времени жизни в энергетических величинах. (Время жизни обратно пропорционально ширине частицы.) Для короткоживущих образований удобнее измерять именно ширину, а для долгоживущих — напрямую время (частица родилась, пролетела какое-то расстояние за какое-то время и распалась). Уточненная ширина T_cc+ — порядка 50 кэВ. Это состояние узкое даже по масштабам обычных наблюдаемых очарованных состояний. Для сравнения: ширина J/ψ-мезона, частицы, состоящей из с-кварка и анти-c-кварка, — масштаба 100 кэВ. А у T_cc+, состоящей из двух тяжелых с-кварков и двух легких антикварков (анти u-bar d-bar) номинальная ширина примерно вдвое меньше. «Для частиц, масса которых близка к сумме масс продуктов распада, как в нашем случае, масса и время жизни определяются очень деликатно. Работая в тесном контакте с теоретиками, мы разработали модель для описания формы пика Т_сс+ в массе системы D⁰D⁰π⁺, которая позволяет точнее определить время жизни T_cc+», — отметил Иван Беляев.

Для полноты «паспортных данных» частицы необходимо определить вероятности распада тетракварка во все возможные конечные состояния. Наблюдаемый распад T_cc+ имеет трехчастичное конечное состояние: D⁰D⁰π⁺, где эта частица полностью реконструируется. Но косвенные признаки указывают на то, что в общей сложности есть три наиболее вероятных конечных состояния — не только D⁰D⁰π⁺, но и D⁰D⁺π⁰ и D⁰D⁺γ. По словам участников коллаборации, в настоящее время проблема изучения конечных состояний связана с тем, что LHCb рекордно хорошо регистрирует и измеряет параметры заряженных частиц и гораздо хуже — нейтральных. «В случае D⁰D⁰π⁺ все частицы в конечном состоянии заряженные. D⁰ мы регистрируем в канале распада на K^-π⁺, которые в сумме дают нейтральный D⁰. Таким образом, мы видим в конечном состоянии пять заряженных частиц и по ним можем определить так называемую инвариантную массу — все энергетические параметры этого состояния. А если у нас есть нейтральная частица, например, π⁰, в конечном состоянии она распадается на два гамма-кванта, поэтому мы должны измерять направление вылета и энергии гамма-квантов. Хотя гамма-кванты регистрируются, но энергетическое разрешение много хуже, чем для заряженных частиц, поэтому выделить сигнал на уровне фона в этом случае значительно труднее. Мы видим косвенные признаки распада тетракварка в состояния с гамма-квантами, а полностью его реконструировать пока не можем. Для этого требуется больше времени и больше статистики», — сказал Александр Бондарь.

Ученые предполагают, что полученный результат будет стимулировать коллаборацию LHCb, которая тратит заметную часть усилий на изучение прелестных мезонов и прелестных барионов, прицельно изучать и новый подвид частиц. Ближайший шаг — надежное установление квантовых чисел T_cc+. «Финальное определение квантовых чисел в жизни любой частицы сравнимо с получением паспорта у человека. Она теперь не просто кандидат в частицы, а настоящая частица с известными квантовыми числами. Только после этого ей присваивается официальное название. Мы знаем, что некоторые люди в процессе жизни меняют имя или фамилию. В отличие от людей, имя частице дается в соответствии с установленной номенклатурой, в зависимости от квантовых чисел и кваркового состава. Обнаруженная частица не укладывается в уже хорошо установленные правила. Для нее, возможно, придется придумывать что-то новое, поэтому предварительное имя может поменяться», — прокомментировал Иван Беляев.

Участники коллаборации приняли решение посвятить научную публикацию об открытии T_cc+ памяти выдающегося физика, соавтора и друга Семена Исааковича Эйдельмана. «Это дань уважения замечательному человеку, который много сил потратил на то, чтобы привлечь молодых ученых в эту область исследований и активно способствовал совместной работе экспериментаторов и физиков-теоретиков в такой довольно разнообразной области науки, как адронная спектроскопия», — сказал Александр Бондарь.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) — один из детекторов Большого адронного коллайдера, предназначенный для изучения B-мезонов, то есть частиц, содержащих b-кварк («прелестный» кварк). Всего на LHC с начала работы коллайдера открыто 62 новые элементарные частицы, из них 55 было обнаружено коллаборацией LHCb, а 6 из них — группой ИТЭФ. С 2010 г. коллаборация выпустила почти 600 научных статей при участии сотрудников ИЯФ СО РАН и ИТЭФ.

В эксперименте LHCb участвуют пять человек из ИЯФ СО РАН и НГУ. Например, группа Института участвовала в открытии двух новых возбужденных состояний прелестного бариона, а также — нового состояния c-кварка и анти c-кварка — частицы ψ₃(1D) и других. В данный момент при участии специалистов ведется несколько анализов по дальнейшему изучению χ_c1(3872).

ИТЭФ в эксперименте LHCb представляет группа из семи человек — меньше 1% состава коллаборации, при этом количество публикаций, подготовленных сотрудниками ИТЭФ, составляет 10% от всех статей коллаборации. Одна из задач, решением которой занимались специалисты ИТЭФ — создание программ обработки данных, которые повысили эффективность работы физиков. Реализованный инновационный подход позволяет получать первые результаты буквально одновременно с набором данных.