Новую частицу на Большом адронном коллайдере открыли ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ИТЭФ

В конце февраля международное содружество LHCb (ЦЕРН) объявило об открытии нового состояния чармония — частицы, состоящей из «очарованных» кварка и антикварка. Впервые эту частицу удалось наблюдать со значением спина 3. Полученные результаты позволяют уточнить кварковую модель. Для этого эксперты проанализировали данные, собранные экспериментом LHCb на Большом адронном коллайдере (БАК) с 2011 по 2018 гг. Открытие новой частицы было выполнено сотрудниками НИЦ «Курчатовский институт» – ИТЭФ Иваном Беляевым и Виктором Егорычевым.

Чармоний — один из видов кваркониев, т.е. частица, состоящая из очарованного кварка и анти-кварка. Такое состояние называют системой с закрытым очарованием. В обычном состоянии у такой системы квантовое число спин либо ноль, либо единица. Наблюдение частиц с более высокими спинами - чрезвычайно редкое явление.

Открытие этой частицы позволяет закрыть «белые пятна» Стандартной модели– уникального теоретического инструмента, позволяющего описывать всю совокупность знаний по физике элементарных частиц. По этой модели было сделано много предсказаний, поэтому обнаружение нового состояния частицы подтверждает ранее высказанные предположения. Триумфом Стандартной модели является открытие бозона Хиггса.

В 1970-х гг. ученые пришли к выводу, что для дальнейшего развития физики элементарных частиц нужна связанная система из тяжелых кварков. Т.е. система, в которой энергия связи была бы малой по сравнению с массами кварков. В ней кварки двигались бы со скоростями меньшими, чем скорость света, и это позволило устранить многие усложнения теоретических моделей, связанные с теорией относительности. Такая нерелятивистская кварковая система, состоящая из очарованного кварка и анти-кварка, была обнаружена в 1974 г. Ее открытие было сделано независимо двумя исследовательскими коллективами: группой в Стэнфордском центре линейного ускорителя, возглавляемой Бёртоном Рихтером, и группой в Брукхевенской Национальной Лаборатории, возглавляемой Сэмюэлем Тингом. Б. Рихтер и С. Тинг за их общее открытие получили Нобелевскую премию по физике в 1976 г. Открытие этой частицы в научной литературе часто называют “Ноябрьской революцией”. Подобно обычным атомам, например, водороду, кварковая пара может находиться в различных квантовых состояниях. Особое место в физике элементарных частиц занимают мезоны, для которых кварковая модель позволяет количественно рассчитать спектры масс. Это семейства мезонов, состоящие из тяжелых кварков - чармоний и боттомоний. Спектры их подобны спектрам водородоподобных атомов. Изучение таких систем (кваркония) позволяет получить важную информацию о природе сильного взаимодействия.

В своей работе исследователи международного содружества LHCb проанализировали данные, собранные на БАК. В частности, специалисты изучили спектр постоянных масс как нейтральных, так и заряженных мезонов с открытым очарованием. Постепенно учёные обнаружили узкий пик («резонанс»), который указал на новую частицу с массой 3842 МэВ. Поэтому ее и назвали X(3842). Важно, что впервые учёные смогли наблюдать чармоний со значением спина 3. Интересно отметить, что эксперимент LHCb в июле 2014 г. обнаружил еще одно состояние со спином 3 в системе странных очарованных мезонов. Других состояний с очарованными кварками, имеющих такой высокий спин, науке пока не известно. Кроме того, в этой же работе были исследованы и другие ранее известные состояния чармония ψ(3770) и χ_c2(3930). Однако, необходимо заметить, что эти состояния впервые наблюдались в протон-протонных соударениях.

Непрекращающийся интерес к изучению чармония связан с тем, что его характеристики можно использовать как для изучения свойств самих элементов, которые его составляют, так и динамики их взаимодействий. Заманчивые перспективы исследований кваркония привели к созданию серии экспериментальных установок по его изучению. В последние годы наблюдается всплеск интереса к спектроскопии чармония после открытия состояний, которые не описываются стандартными теоретическими моделями кваркония. В ряде случаев после открытия новой частицы трудно сделать вывод, является ли новое экспериментально обнаруженное состояние ранее ненайденным состоянием чармония или же новой экзотической частицей, к примеру, такой как тетракварк, состоящей из четырех кварков. Поэтому знание спектра обычных состояний чармония важно для того, чтобы помочь идентифицировать экзотические состояния: если учесть все предсказанные "обычные" состояния, мы сможем быть более уверены, что остальные являются экзотическими.

Источник: http://www.nrcki.ru/