Детектор LHCb не подтверждает существование частицы, найденной ранее на Тэватроне

Рис. 1. Схема рождения и распада частицы X(4140). Источник изображения

На днях в архиве е-принтов появилась статья коллаборации LHCb (arXiv:1202.5087), в которой описываются результаты поиска частицы X(4140) — или Y(4140), как еще ее иногда обозначают. Первые намеки на существование этой частицы стали появляться три года назад в данных детектора CDF, работавшего на американском коллайдере Тэватрон. Изучая распады B-мезонов на три мезона — J/Ψ, φ и K, физики заметили, что пара J/Ψ и φ иногда рождалась скоррелированно — так, словно вначале появлялась некая новая частица, а затем, спустя некоторое время, она распадалась бы на J/Ψ и φ (рис. 1). В прошлом году, после набора новых данных и улучшения статистической достоверности, речь шла уже о полноправном открытии этой частицы (рис. 2). Более того, CDF тогда нашла и вторую частицу в том же канале распада, но статистическая достоверность этого сигнала была меньше.

Процесс рождения и распада частицы X(4140) свидетельствует о том, что это мезон, но с необычными свойствами. Он должен содержать очарованную кварк-антикварковую пару, однако при такой большой массе (примерно 4143 МэВ) он тогда должен был бы легко распадаться на D-мезоны. Но оказалось, что X(4140) живет намного дольше, и значит, что-то в его структуре мешает простому распаду на D-мезоны.

Рис. 2. Данные детектора CDF по поиску частицы X(4140). По горизонтали показана разность инвариантных масс продуктов распада пары (J/Ψ+φ) и одного лишь J/Ψ-мезона. Данные показаны гистограммой. Синяя штриховая линия — ожидаемый фон (то есть некоррелированное рождение J/Ψ и φ), красная линия — фон плюс две новые частицы. Высокий узкий пик слева — это и есть проявление X(4140). Изображение из статьи коллаборации CDF

Свойства этой частицы очень заинтересовали теоретиков, поскольку именно так должны проявлять себя многокварковые адроны, которые в «зоопарке» элементарных частиц остаются экзотикой. Как устроены многокварковые адроны и почему они встречаются так редко — один из самых больных вопросов современной адронной физики. Специалисты надеялись, что внимательное изучение характеристик этого и других подобных частиц на разных коллайдерах поможет найти на них ответы.

В такой ситуации результат LHCb оказался неприятным сюрпризом. Предварительные результаты поиска этой частицы на интегральной светимости 0,37 fb^–1 были обнародованы еще летом 2011 года, а сейчас, с выходом статьи, они стали окончательными («окончательными», разумеется, на этом объеме статистики; после набора и обработки новых данных результаты будут обновляться). Коллаборация LHCb «прошлась» по той же цепочке распадов и не обнаружила никакого особо скоррелированного рождения J/Ψ и φ мезонов. На рис. 3 показаны их данные, аналогичные рис. 2. Синей штрихованной линией показано, как примерно должна была бы вести себя гистограмма, если бы обе частицы, найденные CDF, были реальными. Красная линия — ожидаемый фон от некоррелированного рождения этих мезонов. Как видно, данные LHCb вполне укладываются в фон и не подтверждают находку Тэватрона.

Рис. 3. Данные детектора LHCb по поиску частицы X(4140). Красным показан фон, штриховой синей линией — ожидаемое поведение гистограммы, если бы две частицы, найденные на CDF, были реальными. Изображение из статьи коллаборации LHCb

Значит ли это, что никакой частицы X(4140) на самом деле не существует? Если аккуратно сформулировать то, что показывают данные, то вывод пока такой: имеется расхождение между LHCb и CDF на уровне 2,4 стандартных отклонений. Это означает, что остается некоторый шанс, что либо у LHCb, либо у CDF, либо в обоих экспериментах произошли неудачные статистические флуктуации, которые и привели к расхождению. Но это также может и означать, что особых флуктуаций нет, а в одном из экспериментов была допущена ошибка или недооценена погрешность при анализе данных. В настоящее время ничего более определенного сказать нельзя; для этого надо как минимум дождаться новых данных LHCb.

Так или иначе, ненаблюдение X(4140) пополнило список измерений, в которых результаты Тэватрона и LHC существенно расходятся друг с другом.