Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Прелесть в микромире ждёт прибавление?

Объявлено о возможном открытии новых элементарных частиц, содержащих прелестный кварк.

Часть участников коллаборации LHCb на фоне детектора.
Графики, показывающие существование двух частиц с близкими массами.

Научный коллектив (коллаборация), работающий с детектором элементарных частиц LHCb Большого адронного коллайдера (LHC), объявил о возможном открытии двух новых возбуждённых состояний прелестного бариона, которые, возможно, представляют собой новую частицу группы Λb (лямбда-б барион) или Σb (сигма-б барион).

Для однозначного вывода необходимо провести дополнительные измерения параметров частиц, пока что физики определили только их время жизни и массы: 6146 и 6152 МэВ. Эта информация, полученная при обработке накопленных на LHC данных, была представлена 13 июля 2019 года на конференции по физике элементарных частиц EPS-HEP (The European Physical Society Conference on High Energy Physics). Теория предсказывает такие возбужденные состояния, но исследователи раньше их не наблюдали, поскольку не было достаточной статистики.

Немного о терминологии. Барионы – элементарные частицы, состоящие из трёх кварков. К ним относятся всем знакомые протон и нейтрон. Эти частицы разделяют на группы в зависимости от того, из каких именно кварков они состоят. Если в состав бариона входит b-кварк, который называют прелестным (beauty), то барион называют прелестным. Основной целью эксперимента LHCb служит как раз исследование взаимодействий частиц, содержащих b-кварки. В частности, лямбда-барионы – частицы, состоящие из двух легких кварков, обозначаемых u и d, и одного тяжелого кварка. В прелестном лямбда-барионе (Λb) тяжёлый кварк представляет собой b-кварк, соответственно кварковый состав этой частицы – udb. Возбуждённое состояние означает наличие у частицы дополнительной энергии, которая приводит к тому, что та имеет другую массу и квантовые параметры, то есть может считаться отдельной частицей.

Несмотря на то, что кваркам уже более полувека, в кварковой модели, описывающей, как из кварков составляются адроны (мезоны и барионы), ещё много нерешённых вопросов. А ведь она нужна для получения полной информации о том, из чего состоит Вселенная.
В настоящее время физики хорошо проработали кварковую модель на фундаментальном уровне. Они знают, какие существуют кварки, каким законам они подчиняются, но, к сожалению, им не удалось разработать математической теории, которая бы позволила вывести все многообразие частиц, состоящих из кварков, то есть рассчитать их массы, время жизни, вероятности распадов. Исследователи вынуждены применять для предсказания таких частиц различные приближенные методы, которые часто противоречат друг другу. Наблюдательных же данных значительно меньше, чем теоретических предсказаний. Поэтому каждое новое экспериментальное наблюдение нового состояния – это большое событие в физике высоких энергий.

К тому же, если о мезонных состояниях известно достаточно много, то о барионных – на порядок меньше. Мезоны проще описываются теорией, потому что они состоят всего из двух объектов – кварка и антикварка. С тремя кварками, из которых состоят барионы, теоретикам работать сложнее. Барионные состояния с прелестным кварком изучены еще в меньшей степени – теоретических предсказаний очень мало, и до недавнего времени совсем не было их экспериментальных наблюдений.

Однако в 1986 году, еще до открытия первого прелестного бариона, физики разработали теоретическую модель, которая предсказывает существование двух частиц Λb с очень близкими массами. Это очень похоже на то, что сейчас наблюдается в эксперименте. Хотя, возможно, это возбужденное состояние другого прелестного бариона – Σb. Для однозначной ответа необходимо провести измерение квантовых чисел наблюдаемых в эксперименте частиц – спина, четности и изотопического спина. Исследователи надеются проделать это в самом ближайшем будущем.

В физике высоких энергий принято проверять полученные результаты в независимых экспериментах на других установках. Однако с этим пока возникли сложности. В мире нет на данный момент установок, в которых рождаются прелестные барионы. В том числе и в близком к LHCb японском эксперименте Belle II на коллайдере SuperKEKB, в котором происходит столкновение электронов и позитронов. Но сейчас идет модернизация коллайдера LHC и детектора LHCb, которая полностью закончится в 2026 году. Это будет практически новый эксперимент, который и проверит полученные в 2019 году результаты.

В коллаборацию LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям) на данный момент входят 1378 исследователей из 79 научных организаций 18 стран. От России в неё входят Институт ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН, Новосибирский государственный университет (НГУ), Институты Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (ПИЯФ, ИТЭФ, ИФВЭ), НИИЯФ МГУ и др.

По материалам Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН

Автор: Алексей Понятов

Источник: Наука и жизнь (nkj.ru)