На Большом адронном коллайдере открыт тетракварк с двойным очарованием

Рис. 1. Один из возможных вариантов внутренней структуры нового тетракварка: два тяжелых c-кварка образуют компактный тяжелый дикварк, вокруг которого вращаются два легких u- и d-антикварка. Рисунок с сайта cerncourier.com

Коллаборация LHCb, которая работает на Большом адронном коллайдере в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) и в которую входят и многие российские институты, объявила об открытии новой частицы — экзотического тетракварка. Новая частица сильно выделяется из ряда других экспериментально открытых тетракварков тем, что это так называемый дважды очарованный тетракварк, — он содержит сразу два очарованных кварка, но не содержит очарованных антикварков. Кроме того, частица является очень долгоживущей — время ее жизни на один-два порядка больше, чем у частиц с похожей массой.

Коротко о кварках и адронах

Всего в Стандартной модели элементарных частиц — общепринятой сейчас в физике теории, описывающей происходящее в микромире, — есть три взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное. Первое из них всем хорошо знакомо; переносчиком этого взаимодействия является фотон. Слабое взаимодействие называется так потому, что его переносчики, электронейтральный Z⁰-бозон и заряженные W^±-бозоны, являются очень тяжелыми в сравнении с большинством элементарных частиц, и их вклад во многих процессах взаимодействия очень мал. Интенсивность сильного взаимодействия, переносимого безмассовыми глюонами, растет по мере увеличения расстояния между кварками — элементарными частицами, несущими «сильный» заряд (а также участвующими в электромагнитных и слабых взаимодействиях). Это приводит к тому, что кварки всегда оказываются связанными в составные частицы, адроны. Это явление называется конфайнментом кварков. Кроме кварков и глюонов, никакие частицы не участвуют в сильных взаимодействиях.

Стандартная модель включает шесть типов кварков, которые традиционно называются следующим образом: верхний (u — up), нижний (d — down), очарованный (c — charmed), странный (s — strange), истинный (t — truth или top) и прелестный (b — beauty или bottom). Их электрические заряды и массы указаны на рис. 2. Как видно из рисунка, массы кварков очень сильно различаются — от 2,3 МэВ для u-кварка до 173 ГэВ для t-кварка. Обычно физики называют u-, d- и s-кварки легкими, а c-, b- и t-кварки — тяжелыми.

Рис. 2. Массы и заряды кварков в Стандартной модели. Заряды приведены в элементарных зарядах, равных заряду электрона с противоположным знаком, а массы — в стандартных в физике элементарных частиц единицах измерения, электронвольтах (эВ). 1 электронвольт — это энергия, которую приобретает электрон при прохождении разности потенциалов 1 В (МэВ и ГэВ — это мега- и гигаэлектронвольты, соответственно). Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Адроны могут состоять из всех кварков (и антикварков, которые отличаются от кварков знаком заряда) кроме t-кварка, который очень тяжелый, а потому быстро распадается на другие частицы, не успевая образовать связанное состояние с другими кварками, которое можно было бы назвать частицей. Поэтому t-кварк участвует в процессах взаимодействия элементарных частиц только в роли виртуальной частицы. Согласно квантовополевой Стандартной модели элементарных частиц, кварки являются точечными частицами, но адроны имеют конечный размер, равный приблизительно 10⁻¹³ см.

Существует несколько типов адронов. Самыми хорошо исследованными из них являются мезоны, состоящие из пары «кварк — антикварк» и имеющие целый внутренний момент вращения (называемый спином), а также барионы, состоящие из трех кварков и обладающие полуцелым спином (сами кварки имеют спин 1/2). К барионам относятся, например, протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра. В их состав входят только легкие u- и d-кварки.

На самом деле, квантовополевая теория сильных взаимодействий — квантовая хромодинамика (КХД) — утверждает, что кроме таких «обычных» кварков, называемых валентными, адрон состоит из неопределенного количества глюонов, связывающих валентные кварки друг с другом, и виртуальных кварк-антикварковых пар, постоянно рождающихся из вакуума. Эти виртуальные кварки называются «морскими» (sea quarks). В рамках этой статьи, говоря о составе адронов, мы имеем в виду только валентные кварки.

Барионов и мезонов известно много, и они хорошо изучены. Однако еще в 1964 году американцами Марри Гелл-Маном и Джорджем Цвейгом было высказано предположение, что существуют адроны, состоящие из четырех и даже пяти кварков — тетракварки и пентакварки. Впоследствии их гипотеза подтвердилась: на данный момент экспериментально обнаружено уже 4 пентакварка и около 20 тетракварков. Всего же открыто около 500 адронов (вместе с античастицами, которые отличаются от адронов заменой всех составляющих их кварков на антикварки и наоборот). Только на Большом адронном коллайдере в CERN было открыто 62 новых адрона, из которых 59 — за последние 10 лет (рис. 3).

Рис. 3. Адроны, открытые за последние 10 лет на Большом адронном коллайдере. В скобках указаны массы частиц в МэВ. Кварковый состав обозначен цветами. Рисунок с сайта home.cern

Новый тетракварк

На днях коллаборация LHCb на конференции Европейского физического общества по физике высоких энергий (The European Physical Society Conference on High Energy Physics, EPS-HEP) сообщила об открытии нового экзотического тетракварка. Этот адрон состоит из двух тяжелых c-кварков и легких анти-u- и анти-d-кварка. Экзотичность новой частицы заключается в том, что это первый открытый тетракварк с так называемым «двойным открытым очарованием»: он включает в себя два очарованных кварка и ни одного анти-c-кварка. Все остальные экспериментально открытые тетракварки обладают либо «скрытым очарованием» (то есть имеют в своем составе равное количество c-кварков и их античастиц), либо «одинарным открытым очарованием» (то есть включают один очарованный кварк).

Обозначается новая частица \(T_{cc}^+\). Буква «T» означает, что это тетракварк, символы «cc» — что он содержит два очарованных кварка, а плюсик указывает на то, что частица имеет положительный электрический заряд (он равен +1). Масса нового тетракварка оказалась равной приблизительно 3,875 ГэВ, что близко к массам остальных открытых тетракварков, лежащих в пределах от примерно 3 до 7 ГэВ. Необычным свойством частицы (связанным с ее кварковым составом) является очень большое время жизни (а она, как и подавляющее большинство других адронов, является нестабильной, то есть распадается на другие частицы): она живет в несколько десятков и даже сотен раз дольше, чем другие адроны похожей массы (о том, почему дважды очарованный тетракварк должен быть стабильнее своих собратьев, можно прочитать в задаче Такие разные тетракварки). По порядку величины время жизни нового тетракварка равно 10⁻²¹ с.

Еще одно интересное свойство \(T_{cc}^+\) заключается в том, что этот тетракварк, как говорят физики, очень «рыхлый», то есть имеет низкую среднюю плотность: при массе чуть больше массы ядра атома гелия по размеру он оказался примерно равным ядру атома радия, которое в 50 раз тяжелее. Из более точного анализа, который планируется провести в дальнейшем, исследователи надеются понять внутреннюю структуру нового тетракварка. Например, он может быть похож на «атом», у которого есть очень маленькое и тяжелое «ядро», состоящее из двух очарованных кварков, окруженных облаком очень большого размера из легких антикварков (рис. 1). Или же он может быть похож на «молекулу», в которой две тяжелые частицы D⁰ и D^*+ (D⁰ — это мезон, состоящий из c- и анти-u-кварка, а D^*+ состоит из c- и анти-d-кварка) находятся друг от друга на расстоянии примерно в 8–10 раз большем, чем размеры каждой из этих частиц (рис. 4). Это основные варианты, и физики надеются в какой-то момент узнать, какой именно сценарий реализуется в природе.

Рис. 4. Еще один возможный вариант структуры нового тетракварка: два очарованных мезона связаны друг с другом сильным взаимодействием. Рисунок с сайта lhcb-public.web.cern.ch

С открытием \(T_{cc}^+\) связаны две загадки. Во-первых, масса нового тетракварка почему-то оказалась очень близка к сумме масс упомянутых очарованных D⁰- и D^*+-мезонов, что вызвало очень большой интерес у теоретиков. Кроме того, существует еще одна загадочная частица \(\chi_{c1}(3872)\) (в скобках указана ее масса в МэВ), которая известна уже около 20 лет, но ученые до сих пор не знают, как она устроена. Как видно, ее масса очень близка к массе \(T_{cc}^+\). Совпадение это или нет — пока непонятно. Отличие между этими двумя частицами заключается в том, что в составе нового тетракварка есть два c-кварка, а в состав \(\chi_{c1}(3872)\) входят c-кварк и анти-c-кварк. Складывается впечатление, что это какие-то «близкие родственники».

Экспериментальные данные, в которых обнаружился тетракварк \(T_{cc}^+\), набирались с 2011 по 2018 год. За это время было зарегистрировано около 200 событий рождения новой частицы. Сигнал наблюдается уверенно со статистической значимостью, превышающей 20 стандартных отклонений (это означает, что вероятность того, что данный эффект проявится в данных случайно из-за статистических флуктуаций пренебрежимо мала). Тетракварк наблюдается как достаточно узкий пик в спектре инвариантных масс системы \(D^0D^0\pi^+\) (\(\pi^+\) — это положительно заряженный \(\pi\)-мезон, состоящий из u-кварка и анти-d-кварка), на которую он распадается.

Рис. 5. Пик в инвариантной массе системы \(D^0D^0\pi^+\). Горизонтальная ось — инвариантная масса \(D^0D^0\pi^+\), вертикальная ось — число соответствующих событий распада. Рисунок с сайта lhcb-public.web.cern.ch

Открытие тетракварка, имеющего в своем составе два тяжелых c-кварка и при этом ни одного анти-c-кварка, дает исследователям надежду на то, что может существовать и частица, содержащая пару еще более тяжелых прекрасных b-кварков без соответствующих анти-кварков. Время жизни этой гипотетической частицы ожидается равным приблизительно 10⁻¹³ секунды, что еще на 8 порядков больше, чем у долгоживущего \(T_{cc}^+\). Проводить расчеты процессов взаимодействия частиц на таких больших масштабах времени в КХД невозможно, так что экспериментальное исследование поведения этого пока не открытого адрона представляет огромный интерес.

Источники:
1) Observation of an exceptionally charming tetraquark — краткое сообщение об открытии на сайте коллаборации LHCb.
2) New tetraquark a whisker away from stability — заметка в издании CERN Courier.
3) I. Polyakov. Reсent LHCb results on exotic meson candidates — доклад представителя коллаборации LHCb на конференции EPS-HEP.

Андрей Фельдман