LHCb ставит под сомнение реальность обнаруженного недавно тетракварка X(5568)

Рис. 1. Распределение событий по инвариантной массе B_sπ-пары. Голубым показан вклад от известных процессов, красным — добавка от нового тетракварка, которая дает наилучшее описание данных. Данные хорошо описываются как с тетракварком, так и без него — одним лишь фоном. График из статьи The LHCb Collaboration, 2016. Search for structure in the B_sπ^± invariant mass spectrum

Недавно коллаборация DZero, работавшая на коллайдере Тэватрон, сообщила об открытии еще одного тетракварка, X(5568). Однако эксперимент LHCb Большого адронного коллайдера, проанализировав этот же процесс в своих данных, никаких свидетельств в пользу этой частицы не нашел. Результат LHCb, хоть формально и не закрывает частицу, но ставит заявление DZero под серьезное сомнение.

Поиск и изучение многокварковых адронов — одна из самых горячих тем в физике сильных взаимодействий; введение в эту область исследований можно найти, например, в нашей новости Эксперимент LHCb окончательно доказал реальность экзотического мезона Z(4430). Открытия, а иногда и закрытия, новых частиц здесь продолжаются до сих пор, и каждый раз они вызывают большой интерес у теоретиков, занимающихся описанием свойств адронов в разных подходах.

Совсем недавно коллаборация DZero, работавшая на американском протон-антипротонном коллайдере Тэватрон, сообщила об обнаружении еще одного многокваркового адрона — тетракварка X(5568), см. подробности в новости Тэватрон нашел еще один тетракварк. Изюминка этой частицы в том, что она распадается за счет сильного взаимодействия на пару мезонов B_s и π^±, а значит, должна содержать кварки сразу четырех разных типов. Такой «зверь» физикам раньше не встречался. В данных DZero эта частица выглядит как сильный всплеск в распределении событий по инвариантной массе B_sπ-пары, расположенный чуть выше порога рождения, при массе от 5560 до 5580 МэВ.

Статистическая достоверность отклонения данных от плавного фона была оценена DZero в 5,1σ, что в физике элементарных частиц считается достаточным для заявления об открытии новой частицы или, как минимум, новой структуры в этом канале рождения. Эта новая частица выглядела настолько явной, что можно было заподозрить, что заметная часть вообще всех B_s мезонов рождалась именно таким способом, через промежуточный тетракварк. Эту долю можно охарактеризовать величиной ρ, которая определяется как число событий рождения X(5568) с распадом на B_sπ, поделенное на общее число рожденных B_s-мезонов. Из своих данных DZero оценила эту величину почти в 9%: ρ^D0 = (8,6 ± 1,9 ± 1,4)%.

Разумеется, после сообщения об открытии новой необычной частицы другие коллаборации также решили проверить свои данные в этом канале. Особенно интересным было узнать результат LHCb — эксперимента Большого адронного коллайдера, специально заточенного под физику B-мезонов. В нем B-мезонов было накоплено куда больше, чем на Тэватроне, да и погрешности измерений там существенно меньше (сравните гистограмму в сообщении DZero с изображениями, приведенными в этой новости).

На прошедшей недавно конференции Moriond коллаборация LHCb показала предварительные результаты этого анализа. Чуть более полная информация появилась также в предварительной публикации Search for structure in the B_sπ^± invariant mass spectrum (LHCb-CONF-2016-004). В ней сообщается, что в статистике, накопленной LHCb в сеансе Run 1, — а она в 20 раз превышает статистику DZero — никаких убедительных свидетельств в пользу этой частицы обнаружено не было.

На рис. 1 показано распределение зарегистрированных B_sπ-пар по их инвариантной массе от порога рождения до 5700 МэВ. Показанные здесь события отвечают отбору событий с поперечным импульсом B_s-мезона больше 10 ГэВ. Искомый тетракварк должен был проявиться в этом распределении как широкий пик в области 5560–5580 МэВ. Однако видно, что никакого статистически достоверного «вспучивания» графика в этой области не происходит. Точное сравнение, в котором наряду с фоном (голубой цвет) допускается и новая частица с заявленными DZero параметрами (красный цвет), действительно указывает на слабое превышение над фоном, но это превышение совершенно статистически не значимое. Иными словами, данные не дают никаких оснований подозревать существование новой частицы; они столь же хорошо описываются и одним только фоном.

Тот факт, что частицы не видно, можно переформулировать как ограничение сверху на величину ρ: из данных LHCb получается ρ^LHCb < 1,8% на уровне достоверности 95%, то есть значительно меньше того, что заявила DZero.

Здесь следует сделать оговорку. В принципе, никто не утверждает, что величина ρ должна быть одинаковой для Тэватрона и для LHC, — ведь мы не знаем в деталях, как рождается эта гипотетическая частица. Поэтому тот факт, что ρ^LHCb (ограничение сверху) оказалось в пять раз меньше, чем ρ^D0 (заявленное измерение), строго говоря, не является основанием говорить, что результат LHCb полностью опроверг заявление DZero. Если теоретики сумеют придумать механизм рождения, который эффективен на Тэватроне, но почему-то резко выключается на LHC, частица будет иметь право на существование. Однако весь опыт изучения рождения адронов на коллайдерах говорит о том, что такая возможность крайне неправдоподобна.

Наконец, любопытно взглянуть, как должны были бы выглядеть данные LHCb, если бы тетракварк X(5568) рождался на LHC столь же интенсивно, как утверждает DZero. Ожидаемая картина показана на рис. 2.

Рис. 2. То же самое распределение, в котором вклад от гипотетической частицы принят равным вкладу, заявленному DZero. Видно, что эта гипотеза кардинально расходится с данными LHCb. График из статьи The LHCb Collaboration, 2016. Search for structure in the B_sπ^± invariant mass spectrum

Видно, что такой огромный пик LHCb никак не пропустила бы. Таким образом, LHCb не подтверждает заявление DZero. И хотя прямого сообщения о «закрытии» частицы еще не прозвучало, такой вердикт сейчас кажется наиболее вероятным.