21.03.2017

LHCb открыла пять новых частиц из семейства Ωc-барионов

Коллаборация LHCb, работающая на Большом адронном коллайдере, объявила об обнаружении сразу пяти новых тяжелых барионов из семейства Ω_c. 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 Ω_c с кварковым составом [ssc], о котором пойдет речь в этой новости, — в центре диаграммы.

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 Ω_c обладает массой 2695 МэВ, а первое возбужденное состояние, которое отличается только суммарным спином, обозначается Ω_c(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 Ω_c-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 Ω_c 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 Ω_c-бариона велся через распад таких состояний на систему Ξ⁺_cK, 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 Ξ⁺_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^-π⁺, — продукты распада Ξ⁺_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^-π⁺ это позволяет из всей мешанины адронов, который видит детектор LHCb (рис. 1), опознать именно продукт распада Ξ⁺_c-. В целом таких событий набралось около миллиона.

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

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 ρΚ^-π⁺слегка не совпадает по массе с Ξ⁺_c-барионом. В результате никаких структур уже не видно.

Был проведен и еще более наглядный анализ, в котором частица Ξ⁺_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.

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 Ξ_c⁺K^- // препринт arXiv:1703.04639 [hep-ex] (14 марта 2017 года).

Игорь Иванов

Источники:

1. elementy.ru