Открыт первый дважды очарованный барион

Рис. 1. Новый барион \(\Xi^{++}_{cc}\) с кварковым составом [ccu] и зарядом +2. Рисунок с сайта lhcb-public.web.cern.ch

Первый день проходящей сейчас конференции EPS HEP 2017 принес и первое открытие. Коллаборация LHCb, работающая на Большом адронном коллайдере и изучающая свойства тяжелых адронов, сообщила о первом достоверном наблюдении бариона, в состав которого входят сразу два очарованных кварка — частицы \(\Xi^{++}_{cc}\), см. рис. 1. Одновременно с этим докладом, в архиве препринтов появилась полновесная статья коллаборации arXiv:1707.01621. Краткий рассказ об открытии можно найти на сайте коллаборации и в пресс-релизе ЦЕРНа.

Новая частица — барион с кварковым составом [ccu], и он полностью вписывается в стандартную кварковую диаграмму (см. рис. 4 на странице Классификация адронов). В существовании этого бариона, — равно как и его собратьев из дважды очарованного семейства частиц, — никто не сомневался. Более того, начиная с конца 90-х, несколько групп теоретиков провели в рамках различных моделей детальные расчеты масс и времени жизни дважды очарованных барионов (подробное введение в эту тему можно найти в обзоре В. В. Киселев, А. К. Лиходед, 2002. Барионы с двумя тяжелыми кварками). Массы получались в районе 3500–3700 МэВ, а время жизни — в районе нескольких сотен фемтосекунд.

Рис. 2. Распад \(\Xi^{++}_{cc} \to \Lambda_c^+ K^- \pi^+\pi^+\), через который эта частица была обнаружена LHCb. Изображение из обсуждаемой статьи

Если взглянуть на шкалу времен жизни всех элементарных частиц, то видно, что это совершенно типичное время для всех тяжелых адронов, распадающихся за счет слабого взаимодействия. Правда, породить такую частицу непросто: ведь надо произвести сразу два c-кварка, которые, к тому же, должны вылететь примерно в одном направлении. Однако оценки показывают, что для адронных коллайдеров это проблемой быть не должно. Но вот картина распада — по крайней мере того распада, который использовала LHCb для поиска этой частицы, — получается довольно сложной (рис. 2). Мало того, что в распаде \(\Xi^{++}_{cc} \to \Lambda_c^+ K^- \pi^+\pi^+\) рождаются сразу четыре частицы, так еще и оставшийся очарованный барион \(\Lambda_c^+\), пролетев небольшое расстояние, распадается на три других частицы. Поэтому поиск \(\Xi^{++}_{cc}\) — это не просто отбор событий с рождением нужного набора частиц, но и проверка того, что все они вылетают правильными группами из разных точек пространства.

Рис. 3. Распределение событий-кандидатов по инвариантной массе дочерних частиц. Изображение из обсуждаемой статьи

Даже после того, как все такие события отобраны, все равно нет гарантии, что перед нами — следы рождения и распада новой частицы. Для того, чтобы отличить новую частицу от фона, требуется построить распределение по инвариантной массе всех дочерних частиц. Коллаборация LHCb пропустила накопленную в 2016 году статистику протонных столкновений на энергии 13 ТэВ (интегральная светимость 1,7 fb⁻¹) через алгоритмы отбора, а затем построила распределение (рис. 3). На нем виден четкий пик при массе чуть выше 3600 МэВ (кстати, LHCb подготовила симпатичную анимацию того, как этот пик постепенно вырастал по мере накопления данных). Точное измеренное значение массы составило 3621,40±0,72±0,27±0,14 МэВ, где отдельно указаны статистическая и систематическая погрешности, а также неопределенность, вызванная неточным знанием массы \(\Lambda_c^+\). Статистическая значимость пика исключительно высока — больше 12σ.

Чем интересна физикам новая частица? Во-первых, с точки зрения теории, это кварковая комбинация группируется в барион не так, как, например, кварки в протоне. Два тяжелых кварка могут связаться в тесную пару, дикварк, вокруг которого уже летает третий, легкий кварк (см. по этому поводу задачу Такие разные тетракварки). Такая картина позволяет рассчитать свойства целого семейства частиц, и, когда будут открыты другие частицы этого семейства, эти предсказания можно будет проверить. В конечном счете, это станет еще одним шагом на пути к главной цели всей адронной физики — понять в деталях, как кварки группируются в адроны.

Во-вторых, тут есть и своя неразрешенная загадка. В 2002 году коллаборация SELEX объявила о регистрации другой, похожей частицы с кварковым составом [ccd]. Однако последующие эксперименты, включая тот же LHCb, это заявление не подтвердили. Окончательно закрыть результат SELEX они не могут, поскольку условия эксперимента были иными, но в свете всего накопленного опыта результат SELEX кажется исключительно странным. И раз уж LHCb открыла охоту на дважды очарованные барионы, не исключено, что в скором времени эта загадка тоже разрешится.