LHCb открыла пять новых частиц из семейства Ωc-барионов

Типичное событие с рождением большого числа адронов, зарегистрированное детектором LHCb

Рис. 1. Типичное событие с рождением большого числа адронов, зарегистрированное детектором LHCb. Родившиеся в асимметричном столкновении частицы проходят через последовательные слои детектора, которые идентифицируют тип частиц и измеряют их энергии. Треки разного цвета обозначают здесь разные частицы. Рисунок с сайта home.cern

Коллаборация LHCb, работающая на Большом адронном коллайдере, объявила об обнаружении сразу пяти новых тяжелых барионов из семейства Ωc. Это возбужденные состояния кварковой тройки [ssc] с разными массами в диапазоне 3000–3120 МэВ. При еще больших массах, около 3200 МэВ, обнаружена широкая структура, точная идентификация которой пока не ясна. Это открытие наглядно показывает, насколько более чувствителен эксперимент LHCb по сравнению со всеми предыдущими детекторами в задаче изучения спектроскопии тяжелых барионов.

Классификация известных элементарных частиц в чем-то сродни ботанике. Надежно известны и описаны уже сотни отдельных адронов — частиц, участвующих в сильном взаимодействии, и есть еще несколько сотен, которые пока остаются под вопросом. Эти адроны имеют самые разные массы и ширины и демонстрируют огромное разнообразие вариантов распада. Раз в два года специальный авторский коллектив Particle Data Group публикует обновленную сводку всех известных их свойств, который занимает под тысячу страниц убористым текстом. Впрочем, не обязательно листать этот талмуд: вся эта информация представлена в удобном виде на интерактивном сайте коллектива.

По счастью, в основе адронной классификации лежит четкая и простая кварковая модель (см. подробности на странице Классификация адронов). Все известные барионы состоят из трех кварков, скрепленных сильным взаимодействием. Комбинируя пять типов кварков — легкие u и d, странный кварк s или более тяжелые c (очарованный) и b (прелестный), — можно получить огромное число адронов с разнообразными свойствами.

На рис. 2 показана классификация и общепринятая номенклатура для обозначения барионов, в состав которых входят первые четыре типа кварков. Организация частиц тут очень естественная: по мере движения слева направо d-кварки заменяются на u, при движении на нас — появляются s-кварки, а плоскости отличаются добавлением c-кварка. Семейство Ωc с кварковым составом [ssc], о котором пойдет речь в этой новости, — в центре диаграммы.

Рис. 2. Традиционная номенклатура для обозначения барионов, в состав которых входят только кварки u, d, s, или c

Рис. 2. Традиционная номенклатура для обозначения барионов, в состав которых входят только кварки u, d, s или c. Рисунок с сайта pdg.lbl.gov

Классификация становится еще более богатой, если учесть, что кварки могут по-разному двигаться друг относительно друга. Как и почти в любой составной квантовой системе, в барионах есть основное состояние, а над ним — целая лестница возбужденных состояний. Они во многом напоминают возбужденные уровни электронов в атомах — правда, с той разницей, что там они просто называются возбуждениями того же самого атома, а в адронной спектроскопии возбужденные состояния считаются самостоятельными новыми частицами. Они различаются энергиями возбуждения (а значит, и общей массой), полным спином, внутренним движением кварков и, как следствие, разными предпочтениями распада. Основные состояния для каждого кваркового набора распадаются довольно-таки медленно, за счет слабого взаимодействия (поэтому барион успевает пролететь заметную дистанцию до распада), а возбужденные — сверхбыстро, за счет сильного взаимодействия.

Все барионы, показанные на рис. 2, — это основные состояния для соответствующего кваркового набора. Над каждым из них есть лестница возбужденных состояний — новых элементарных частиц, которые обозначаются той же буквой, но к ним в скобочках приписывают значение массы. Скажем, основное состояние Ωc обладает массой 2695 МэВ, а первое возбужденное состояние, которое отличается только суммарным спином, обозначается Ωc(2770). Видно, что энергетическая «стоимость» переворота спина одного из кварков — почти 100 МэВ.

До недавнего времени только этими двумя состояниями и ограничивались наши сведения об [ssc]-системе. Между тем, другие барионы, лежащие в той же плоскости на рис. 2, были экспериментально проработаны куда лучше. Да и теоретиков, изучающих спектроскопию и свойства адронов, очень интересуют такие лестницы для систем, в которых один кварк тяжелый, а другие — легкие.

Коллаборация LHCb решила исправить это упущение и выполнила поиск других возбужденных состояний Ωc-системы с массой выше 2960 МэВ. Для этой цели была проанализирована практически вся накопленная к настоящему времени статистика: это весь объем данных сеанса Run 1 (полная интегральная светимость 1 fb−1 на энергии 7 ТэВ и 2 fb−1 на энергии 8 ТэВ) и начальный объем сеанса Run 2 (0,3 fb−1). Вышедшая на днях статья рапортует о богатом «улове»: в «сети» коллаборации попало сразу пять надежно идентифицированных новых возбужденных состояний в системе Ωc и одна широкая структура, относительно которой физики пока воздерживаются от однозначных интерпретаций.

Удобство экспериментов на Большом адронном коллайдере в том, что в протонных столкновениях рождаются самые разнообразные адроны, так что на этот счет беспокоиться не стоит. Куда сложнее распознать нужную частицу по ее распаду. Самый удобный способ — это построить распределение по инвариантной массе частиц-продуктов распада. Обычно это распределение плавное, а новая частица проявляется как резонанс — резкий всплеск на фоне гладкой зависимости. Здесь есть свои подводные камни (не всегда резкая особенность на таких графиках отвечает новой частице), но в целом это стандартный подход. Это своеобразное искусство, и каждый раз, когда физикам удается овладеть им в конкретном канале распада, происходят открытия. Например, недавно обнаруженные той же коллаборацией LHCb тетракварк и пентакварк со скрытым очарованием — прекрасные иллюстрации этой методики.

В обсуждаемой статье поиск новых возбужденных состояний Ωc-бариона велся через распад таких состояний на систему \( \Xi^+_c K^- \), чей кварковый состав отличается лишь на пару u-анти-u. Суммарная масса этих двух частиц — 2960 МэВ, поэтому распадаться на них могут только состояния тяжелее этого порогового значения. Частица \( \Xi^+_c \) — это основное состояние кварковой комбинации [usc], а значит, она живет достаточно долго, чтобы успеть отлететь на несколько миллиметров от точки рождения и там распасться. Эта вторичная вершина, из которой должны вылетать \( pK^-\pi^+ \), — продукты распада \( \Xi^+_c \), — хорошо отделена в пространстве от точки столкновения протонов — и это разделение сильно помогает в идентификации правильных событий. Вкупе с изучением инвариантной массы системы \( pK^-\pi^+ \) это позволяет из всей мешанины адронов, который видит детектор LHCb (рис. 1), опознать именно продукт распада \( \Xi^+_c \). В целом таких событий набралось около миллиона.

Каждый раз, когда событие содержит \( \Xi^+_c \)-барион, физики пытались объединить его с еще одним K-мезоном и измерить инвариантную массу \( \Xi^+_c K^- \)-системы. Примерно для сотни тысяч событий это удалось сделать. В результате после анализа всей статистики набралась внушительная выборка \( \Xi^+_c K^- \), и можно было построить очень детальное распределение по их инвариантной массе. Этот график, показанный на рис. 3, и есть ключевой результат работы.

Рис. 3. Распределение по инвариантной массе \(\Xi^+_c K^-\)-системы от порога до 3300 МэВ

Рис. 3. Распределение по инвариантной массе \(\Xi^+_c K^-\)-системы от порога до 3300 МэВ. Черные точки — экспериментальные данные, красная кривая — наилучшее описание данных с учетом фона и нескольких новых резонансов, красная гистограмма — проверочное распределение. Изображение из обсуждаемой статьи

Отлично видно, что экспериментальные данные прочерчивают пять резких, узких пиков при массах 3000, 3050, 3066, 3090 и 3119 МэВ. Их ширина составляет несколько МэВ или даже меньше 1 МэВ для Ωc(3050). Их статистическая значимость очень велика и превышает порой 20σ, но и глазом видно, что в их существовании сомневаться не приходится. Кроме того, при еще больших массах статистический анализ показывает наличие широкого горба с пиком в районе 3188 МэВ. Этот бугорок может иметь разное происхождение; некоторые варианты были проанализированы в статье, но окончательного объяснения он пока не получил.

Коллаборация LHCb выполнила также несколько проверок того, что обнаруженные резонансы отражают реальное усиленное взаимодействие, а не являются результатом каких-то посторонних факторов. Например, на том же рис. 3 приведена внизу красная гистограмма. Это события, которые выглядят почти так же, за исключением того, что тройка частиц \( pK^-\pi^+ \) слегка не совпадает по массе с \( \Xi^+_c \)-барионом. В результате никаких структур уже не видно.

Был проведен и еще более наглядный анализ, в котором частица \( \Xi^+_c \) восстанавливалась так же, но затем физики пытались объединить ее не с отрицательным, а с положительным К-мезоном (рис. 4). Такие неправильные комбинации не должны были порождать никаких всплесков — и данные это и продемонстрировали. Более того, видно, что в самом начале, там, где начинается порог рождения, два графика ведут себя по-разному. Красный, с одноименно заряженными частицами, начинается с нуля и плавно растет, а черный, с противоположно заряженными частицами, резко прыгает вверх и топчется на месте вплоть до первого резонанса. Анализ показал, что это различие тоже целиком объясняется теми же самыми новыми барионами. Дело в том, что некоторое их количество распадалось в реальности по другому каналу и произвело, в нагрузку к тому же набору конечных частиц, еще один фотон. Этот фотон унес энергию, но в отборе событий и при восстановлении инвариантной массы адронов он не учитывался. В результате новые резонансы породили дополнительный «отблеск» на графике при инвариантной массе ниже их собственной массы; это серая закрашенная область на рис. 3. Всё это лишний раз убеждает, что анализ проведен корректно и что в нем нет каких-то скрытых артефактов, способных повести физиков по ложному следу.

Рис. 4. Сравнение правильных (черные точки) и неправильных (красная гистограмма) \(\Xi^+_c K\)-комбинаций

Рис. 4. Сравнение правильных (черные точки) и неправильных (красная гистограмма) \(\Xi^+_c K\)-комбинаций. Изображение из обсуждаемой статьи

Ну а что касается интерпретации обнаруженных частиц — это уже удел будущих работ и измерений. Пока что исследователи не делают никаких выводов относительно их спина, четности, орбитального движения кварков внутри них. Будет интересно узнать, насколько однозначно этот спектр возбужденных состояний смогут объяснить теоретики. Здесь есть дополнительная интрига — пустая область с массами ниже 2960 МэВ, которую этим методом не проверить. Кто знает, сколько неуловленных возбужденных состояний Ωc-бариона скрывается там!

Источник: LHCb Collaboration. Observation of five new narrow Ωc states decaying to Ξc+K // препринт arXiv:1703.04639 [hep-ex] (14 марта 2017 года).

См. также:
1) LHCb observes an exceptionally large group of particles, заметка на сайте ЦЕРНа.
2) Избранные результаты коллаборации LHCb с доступным описанием открытия.

Игорь Иванов


20
Показать комментарии (20)
Свернуть комментарии (20)

  • ovz  | 21.03.2017 | 15:04 Ответить
    А почему в традиционной номенклатуре барионов (рис.2) отстутствуют вершины тетраэдра uuu,ddd,sss,ccc?
    Аналогичная диаграмма для барионов со спином 3/2 достраивается до тетраэдра, а со спином 1/2 нет.
    Ответить
    • trvit > ovz | 21.03.2017 | 16:52 Ответить
      Принцип Паули? Кварки конечно разных цветов, но в момент обмена глюонами может получиться 2 одноцветных варка в адроне. Наверное так.
      Ответить
    • poluekt > ovz | 21.03.2017 | 17:04 Ответить
      Хороший вопрос! Дело здесь в свойствах симметрии волновой функции. Эти диаграммы рисуют для основных, невозбужденных, состояний. Состояния типа uuu (изотопический спин 3/2) со спином 1/2 возможны, но у них обязательно должен быть ненулевой орбитальный момент между кварками. Такие барионы более тяжелые и нестабильные.
      Ответить
    • Игорь Иванов > ovz | 24.03.2017 | 02:58 Ответить
      В принципе, уже ответили, но я скажу по-своему. Кварки — фермионы, и для них действует принцип Паули. В общей формулировке он гласит, что волновая функция тождественных фермионов должна антисимметрична (т.е. должна менять знак) при перестановке любых двух частиц. Волновая функция кварков в барионе — это произведение координатных, спиновых, и цветовых волновых функций. Цветовая в.ф. — антисимметрична, это неизбежное следствие того, что барион в целом — бесцветный.
      Координатная волновая функция в основном состоянии симметрична. Поэтому и спиновая тоже должна быть полностью симметричной. Но это возможно только для полного спина 3/2. Для полного спина 1/2 единственный вариант — это нарушить симметричность координатной волновой функции, т.е. привнести орбитальное движение, как уже было сказано выше.
      Ответить
      • ovz > Игорь Иванов | 24.03.2017 | 09:20 Ответить
        Эванокак!
        Вы существенно расширили мое представление о принципе Паули. Я всегда считал что две частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном квантовом состоянии, подразумевая под этим что они должны различаться как минимум одним квантовым параметром. Никак не предполагал, что изменение двух симметричных параметров может вернуть частицу в то же самое квантовое состояние. Правильно я понимаю, что в барионах одинаковые кварки не могут иметь разные спины?
        А в мезонах? В мезонах тоже не могут иметь разные спины?
        Ответить
        • Slon64 > ovz | 24.03.2017 | 14:32 Ответить
          А разве в мезонах, независимо от спина, могут присутствовать два одинаковых кварка? Там ведь всегда пары кварк-антикварк.
          Ответить
        • VICTOR > ovz | 24.03.2017 | 21:50 Ответить
          Насколько я понял слова Игоря, он имеет в виду такое. Спин 3/2 требуется, что бы у нас была симметрия такая, что при перестановке 2 частиц волновая функция умножалась на "-1" (честно, глянул Вики).
          Потом пойму, как это соотносится с тем, что объект со спином 3/2 может иметь 4 значения проекции:
          -3/2, -1/2, 1/2, 3/2.
          Одинаковые кварки на одной "орбитали" не могут иметь равные спины. Почему в адронах такое-же количество состояний по полному моменту, как и в атомах - нужно будет разобраться.
          Значит дальше, переход частицы на p-орбиталь в обычном атоме создает 1 плоскость и 1 ось симметрии (как минимум - в распределение |psy|^2) видимо там остается неполная симметрия в том смысле, что наверное комплексная амплитуда волновой функции в точке x:
          psy(x)=-psy(x)
          Конкретный вид волновых функций в атоме водорода такого типа:
          R_nl(r)*exp{i*m*phy}*P_lm(cos(teta))
          Соответственно, можете для парных и непарных m, l посмотреть, как там с симметрией будет.

          P.S. Мезон из кварка и антикварка - значит могут быть как одинаковые спины, так и разные. То есть вся совокупность состояний типа атома водорода. Например, есть частицы c J = 1 и J = 2 (кажется больше ничем не различаются):
          http://pdg.lbl.gov/2015/listings/rpp2015-list-f2-1270.pdf
          http://pdg.lbl.gov/2015/listings/rpp2015-list-f1-1285.pdf
          Ответить
        • Игорь Иванов > ovz | 27.03.2017 | 16:10 Ответить
          > Никак не предполагал, что изменение двух симметричных параметров может вернуть частицу в то же самое квантовое состояние.

          Я не уверен, что это то же самое, что я сказал. На всякий случай повторю: принцип Паули говорит, что должна быть антисимметрия при замене _всех_ характеристик двух тождественных фермионов. Требование, что два фермиона должны отличаться хотя бы одной характеристикой — необходимое, но не достаточное. Вариант, когда цветовая в.ф. антисимметричная и спиновая тоже антисимметричная, а координатная симметричная, тоже запрещен ПП.

          > Правильно я понимаю, что в барионах одинаковые кварки не могут иметь разные спины?

          Почему, могут. Только тогда в.ф. должна быть симметризована по ним. Например, если в.ф. протона расписать с указанием всех кварков и спинов, то там будет 9 слагаемых.

          Про мезоны уже ответили, что там кварк-антикварк, на них ПП не распространяется.
          Ответить
  • ovz  | 21.03.2017 | 22:16 Ответить
    Почему в центре шестиугольников (рис.2) отмечено по две частицы с одним и тем же кварковым составом? Различают резонансы?
    Ответить
    • Игорь Иванов > ovz | 24.03.2017 | 03:02 Ответить
      Они отличаются тем, как именно попарно объединяются спиновые и изоспиновые состояния кварков. Когда частиц больше двух, то есть разные комбинации с одинаковым полным спином/изоспином и их проекциями, но разными относительными симметриями.
      Ответить
      • ovz > Игорь Иванов | 24.03.2017 | 08:58 Ответить
        Ну примерно так и подумал. Но тут есть один момент, который не вписывается в картину моего представления. У бариона uds c точки зрения спинового разнообразия получается не два, а три состояния. s+ud-, su+d-, sd+u- (+ и - использовал для обозначений стрелочек вверх и вниз соответствено) для барионов с полуцелым спином. Либо какой то вариант невозможен, либо u и d считаются как одинаковые.
        Ситуация с другими барионами с полуцелым спином (кроме обрезанных вершин тетраэдра) тоже загадочная. Там возможны два состояния. Например d+uu- и du+u-. Хотя исходя из ответа Игоря на первый вопрос похоже что второй вариант исключается т.к. u кварки не могут иметь противоположные спины.
        Ответить
        • Игорь Иванов > ovz | 27.03.2017 | 16:15 Ответить
          Ну вот давайте напишу полную в.ф. протона:
          (u↑u↓d↑ + u↓u↑d↑ - 2 u↑u↑d↓ + d↑u↑u↓ + d↑u↓u↑ - 2 d↓u↑u↑ + u↓d↑u↑ + u↑d↑u↓ - 2 u↑d↓u↑)/sqrt{18}
          Ответить
          • prometey21 > Игорь Иванов | 27.03.2017 | 21:29 Ответить
            Игорь! Спасибо за полную и конкретную запись волновой функции протона!
            Ответить
  • VICTOR  | 21.03.2017 | 22:22 Ответить
    Вопрос возник про орбитальное движение.
    Есть у нас барион с составом (u,d,c). Можно ли рассматривать его в состояниях, которые различаются как бы тем, какие 2 частицы связаны в пару, когда третья как бы вращается вокруг этой пары?
    То есть например основным состоянием посчитаем такое, когда есть пара (u,d), которая как бы вращается вокруг общего центра масс и одновременно - пара вращается вокруг центра масс всей системы (относительно c-кварка). Сравнивал с частицей omega-782, это какое-то возбуждение обыкновенного пи-мезона кажется.
    А в каком-то другом случае у нас легкий кварк вращается вокруг пары, включающей тяжелый. Я понимаю, что для сильного взаимодействия такие аналогии не совсем корректны могут быть, как и для такого соотношения масс. Хотя последний случай наверное куда больше похож на обычный атом водорода (или гелия с 2 электронами) будет.
    P.S. Кстати, это именно про это вопрос у человека выше. Нашел, что например есть распад Lambda_c+ в Sigma_c++. И Sigma_c(2455) в Lambda_c(2286.5) + пи-мезон (по сильному взаимодействию).
    Ответить
    • Игорь Иванов > VICTOR | 24.03.2017 | 03:11 Ответить
      Я скажу так. Разные возбужденные состояния орбитального движения выглядят по-разному, и вовсе не факт, что во всех случаях это движение можно в хорошем приближении упрощенно описать как движение кварка и дикварка (пары кварков). Координаты такие вводят (расстояние между кварками в дикварке и расстояние от дикварка до третьего кварка) и пытаются решать уравнение движение кварков в них (называются уравнения Фаддеева), но никто не гарантирует, что эти координаты хорошо разделятся.
      Когда это возможно и когда нет, остается сложным вопросом адронной физики. Для протона в основном состоянии, насколько я помню, это приближение вроде как работает. Для Omega_c-системы тоже вроде как работает картина c-кварк и ss-дикварк.

      Единственно еще добавлю, что если есть тяжелые кварки, то они предпочитают быть друг с другом, а не в паре с легким. На этот счет была задача http://elementy.ru/problems/1120/Takie_raznye_tetrakvarki
      Ответить
      • VICTOR > Игорь Иванов | 24.03.2017 | 23:58 Ответить
        Вот тогда вопрос про систему с ss-дикварком. Можно ли сказать, что это взаимодействие дает паре кварков дополнительную массу? То есть выходит ли так, что пара ss выступает не как частица массой 180-200 МэВ, а как что-то ближе к K0-мезону с массой 497.6 МэВ? Хотя разница вышла не столь существенная, наверное вопрос более актуален для систем вроде uds. А для адрона udc будет не соизмеримая ситуация, если конечно не выйдет создать адрон, в котором пара ud уже возбуждена в "как бы мезон" с высокой энергией (те самые состояния вроде J = 1 и J = 2).
        Аналогию пары ss значит проведу с энергиями частиц K-star-zero-800, K-star-892 и т.д. Как я понял, это именно возбужденные состояния системы s-anti-s.
        P.S. Я правильно понял, что для "цветового заряда" в какой-то мере работает правило, что разные заряды притягиваются?
        Ответить
        • Игорь Иванов > VICTOR | 27.03.2017 | 16:22 Ответить
          > Можно ли сказать, что это взаимодействие дает паре кварков дополнительную массу? То есть выходит ли так, что пара ss выступает не как частица массой 180-200 МэВ, а как что-то ближе к K0-мезону с массой 497.6 МэВ?

          Сказать-то можно, но где это будет полезно? Я бы не советовал слишком близко принимать такую интерпретацию, она может дать сбой при описании других эффектов.

          > Я правильно понял, что для "цветового заряда" в какой-то мере работает правило, что разные заряды притягиваются?

          Математическая структура цветовых взаимодействий чуть более сложная, чем простая классификация «одноименные-разноименные». Например, кварк и антикварк могут находиться в сигнлетном (бесцветном) или октетном (т.е. глюоноподобном) по цвету состоянии. В синглетном они притягиваются, а октетном отталкиваются.
          Ответить
  • tetrapack  | 23.03.2017 | 04:23 Ответить
    Игорь, стало очень интересно про порог рождения.
    "...два графика ведут себя по-разному. Красный, с одноименно заряженными частицами, начинается с нуля и плавно растет, а черный, с противоположно заряженными частицами, резко прыгает вверх...".
    Видно из рис. 3, что этот фон отдельно учтен (серая заливка) на пороге рождения и под первым пиком. Это очень похоже на предкраевые структуры краев поглощения рентгеновского излучения веществом. А фон под первым пиком сильно напоминает фон неупруго-рассеянных электронов в спектрах РФЭС. Я понимаю, что физика здесь совсем другая, но, тем не менее, не могли бы вы вкратце объяснить, откуда рождаются эти структуры, залитые серым, на рис.3?
    Ответить
    • poluekt > tetrapack | 24.03.2017 | 15:49 Ответить
      "Я не Игорь, но отвечу". Если в двух словах, то серые распределения - это вклад тех же возбуждений Omega_c, но проходящих через другой распад, на Omega_c(2770) K. Omega_c(2770) - это уже известная частица, первое возбужденное состояние Omega_c с массой всего на 70 MэВ больше, которая переходит в основное состояние излучением фотона. Этот фотон не регистрируется, поэтому вместо узкого пика в массе Omega_c K получается пик с меньшей массой (фотон унес часть энергии, которую мы не учли) и несколько размазанный (потому что, какая конкретно масса Omega_c K получится, зависит от того, в каком направлении фотон вылетел).
      Ответить
      • Игорь Иванов > poluekt | 27.03.2017 | 15:45 Ответить
        Да, я там неправильно написал про то, что сразу над порогом. Надо переписать.
        Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»