что такое очарованный тетракварк
На Большом адронном коллайдере открыли новую форму материи
Коллаборация LHCb, одного из экспериментов Большого адронного коллайдера, куда входят представители нескольких университетов, объявила об открытии новой частицы — экзотического тетракварка Tcс+. Частица сильно выделяется среди собратьев и представляет собой новую форму материи.
Тетракварк — это экзотическая элементарная частица, адрон, состоящий из двух кварков и двух антикварков. Экзотическими тетракварки называют, потому что изначально считалось, что адроны могут состоять или из пары кварк-антикварк (такой адрон называется мезоном), или из трех кварков (в этом случае адрон называется барионом; барионами являются, например, протон или нейтрон). Барионов и мезонов известно много, и они хорошо изучены. Однако более 50 лет назад было сделано предположение, что существуют адроны, состоящие из четырех и даже пяти кварков – тетракварки и пентакварки. На данный момент экспериментально уже обнаружено 4 пентакварка и около 20 тетракварков.
«Частица обладает уникальными свойствами и фактически представляет собой новую форму материи, – пояснил участник коллаборации LHCb, заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН, академик РАН Александр Бондарь. — c-кварки, входящие в новый тетракварк, относительно тяжелые: каждый обладает массой в 1,5 массы протона. Частица имеет положительный заряд (+1) и массу приблизительно 3,875 ГэВ».
Известные науке тетракварки могут включать в себя различную комбинацию кварков, но их объединяет то, что в них всегда содержится очарованный кварк и очарованный антикварк. Tcс+ принадлежит совершенно новому семейству частиц, так как он содержит два очарованных кварка, но ни одного антикварка, объясняют в РАН. С-кварк, или очарованный кварк, — кварк с зарядом +(2/3)e, он занимает третье место по массе среди кварков (после тяжелых t- и b-кварков).
«Мы уверены, что именно наличие двух тяжелых кварков в такой системе принципиально важно для того, чтобы эта система была достаточно устойчивой и долгоживущей. В частности, есть уверенность, что если c-кварки (очарованные кварки) заменить на b-кварки (прелестные кварки), то такая частица будет жить много дольше».
Ученые намерены заняться изучением внутренней структуры частицы.
«При массе чуть больше массы ядра гелия мы оценили размер Tcс+ примерно равным ядру атома радия (который в 50 раз тяжелее ядра гелия), то есть наша новая частица очень «рыхлая». Далее мы должны понять внутреннюю структуру этой частицы. Например, она может быть похожа на «атом», у которого есть очень маленькое и тяжелое «ядро», состоящее из двух очарованных кварков, окруженных облаком очень большого размера из легких антикварков. Или же она может быть похожа на «молекулу», в которой две тяжелые частицы вращаются друг от друга на расстоянии примерно в 8-10 раз большего размера каждой из этих частиц. Это основные варианты, и мы надеемся в какой-то момент узнать, какой именно сценарий реализуется в природе», — комментируют в РАН.
Физики обнаружили дважды открыто очарованный тетракварк
Пик в спектре продуктов распада тетракварка на мезоны, который свидетельствует о регистрации частицы
Ivan Polyakov / EPS-HEP, 2021
Согласно современным представлениям, все сильно взаимодействующие элементарные частицы — адроны — состоят из шести типов кварков (и соответствующих антикварков). При этом в природе мы наблюдаем барионы — системы из трех кварков или трех антикварков — к ним относятся протон и нейтрон, и мезоны — пары кварк-антикварк — такие образуются, например, при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли.
Однако в середине шестидесятых годов, еще на этапе создания кварковой модели, ее автор, Марри Гелл-Манн, предсказал существование и более сложных — экзотических частиц за счет встраивания кварк-антикварковых пар в барионную или мезонную структуру (подробнее об этом можно узнать в материале «Восьмеричный путь Вселенной»).
Схематическое изображение рождения тетракварка в протон-протонных столкновениях и последующего распада на мезоны
Ivan Polyakov / EPS-HEP, 2021
В результате физикам удалось зарегистрировать около двухсот событий рождения Tcc + и подтвердить открытие этой частицы со значимостью свыше 10 стандартных отклонений (что практически исключает вероятность случайной флуктуации, которую исследователи бы приняли за сигнал).
Как отмечают авторы, новая частица имеет сравнительно узкую ширину распада — всего около половины мегаэлектронвольта при типичных значениях в десятки–сотни мегаэлектронвольт — то есть в среднем Tcc + существует на порядки дольше подобных кварковых структур и на сегодняшний день становится наиболее стабильным из известных экзотических адронов. Есть теоретические основания полагать, что эта особенность обусловлена именно наличием в составе частицы двух тяжелых кварков.
Еще одно интересное свойство частицы — близость ее массы к массе пары D-мезонов (одного нейтрального и одного возбужденного положительно заряженного). При массе тетракварка почти в четыре гигаэлектронвольта эта разница, по предварительным расчетам, составила всего десятые доли мегаэлектронвольта — меньше сотой доли процента, причем со значимостью 4,3σ тетракварк легче пары D-мезонов. Причина такого совпадения на данный момент не ясна.
Кроме того, продукты распада Tcc + сравнительно легко детектировать — в совокупности со стабильностью тетракварка это облегчит в дальнейшем точные измерения свойств частицы.
В частности, исследователей интересует внутренняя структура системы. На сегодняшний день однозначно не ясно, является ли она атомоподобной — то есть тяжелые кварки упакованы компактно в центре и окружены облаком из легких антикварков, или больше напоминает молекулу — то есть представляет пару тяжелых мезонов (в каждом — по одному c-кварку и одному легкому антикварку), которые разделены расстоянием примерно в 10 раз больше собственного размера.
Также открытие Tcc + поможет в поисках похожей частицы — тетракварка, который вместо c-кварков содержит пару b-кварков (еще более тяжелых). Ожидается, что такая частица практически не сможет распадаться по механизмам сильного взаимодействия, так как ее масса будет меньше массы возможных продуктов распада — это заставит тетракварк распадаться в слабом взаимодействии и увеличит время его жизни еще на несколько порядков.
Ранее мы рассказывали о том, как физики обнаружили полностью очарованный тетракварк. Подробнее о том, как открывают экзотические адроны, можно узнать в нашем материале «Тетракварки — это Дикий Запад».
Большой адронный коллайдер нашёл совершенно новую частицу — дважды очарованный тетракварк
В рамках проекта по изучению частиц на Большом адронном коллайдере учёным удалось обнаружить совершенно новую частицу — дважды очарованный тетракварк. Такое название частица получила из-за того, что она состоит из двух очарованных кварков и двух лёгких антикварков, верхнего и нижнего. Об открытии было объявлено на конференции Европейского физического общества, в проекте участвовали учёные Института ядерной физики имени Г.И. Будкера (Сибирское отделение РАН, Новосибирск).
Спектр продуктов распада тетракварка на мезоны, пик свидетельствует о регистрации частицы. Источник: desy.de
Изначально считалось, что адроны могут состоять либо из двух кварков, образуя мезон в паре кварк-антикварк, либо из трёх кварков, образуя барион (например, протон или нейтрон). Однако около 50 лет назад, когда кварковая модель ещё создавалась, её автор Марри Гелл-Манн (Murray Gell-Mann) предсказал, что могут существовать и более сложные частицы. Такие частицы не укладывались в традиционную модель, поэтому они получили название экзотических. Экзотические частицы появляются за счёт встраивания пары кварк-антикварк в структуру мезона либо бариона.
Данная гипотеза в течение долгого времени оставалась только теорией, пока в 2014 году в ходе эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере учёным не удалось пронаблюдать первый тетракварк. В 2015 году было объявлено об открытии пентакварка. Всего на текущий момент было открыто четыре пентакварка и около двадцати тетракварков.
Тетракварк рождается в протон-протонных столкновениях и последующем распаде на мезоны. Источник: desy.de
Ещё одним примечательным моментом является относительно узкая ширина распада новой частицы, она составляет примерно 0,5 МэВ при типичных значениях в десятки и даже сотни МэВ. Иными словами, Tcc + существует на порядки дольше схожих квантовых структур, что делает её самым стабильным экзотическим адроном. И, наконец, продукты распада нового тетракварка относительно легко детектировать, что с учётом высокой стабильности частицы облегчит точные измерения её свойств.
Физики обнаружили полностью очарованный тетракварк
Физики из коллаборации LHCb обнаружили новый тетракварк, состоящий из двух очарованных кварков и двух очарованных антикварков. Это первая частица, в которой глюонным взаимодействием связаны пары дикварк и антидикварк. Результаты были представлены на семинаре CERN-LHC.
Согласно кварковой модели, сильно взаимодействующие частицы — адроны — образуют либо пары кварк-антикварк (мезоны), либо собираются в группы по три кварка (барионы: нейтрон и протон). Остальные частицы считаются экзотическими, хотя еще в 1964 году Марри Гелл-Манн допускал возможность образования более крупных частиц за счет встраивания пары кварк-антикварк в структуру бариона или мезона.
Существует несколько областей для поиска экзотических частиц: легкие системы (содержат в себе кварки u,d,s), легко-тяжелые системы (содержат хотя бы один кварк b или c) и дважды тяжелые системы (содержат пару кварк-антикварк c- или b-кварков). Последние экспериментально обнаружить проще всего, так как их спектры узкие и не перекрываются между собой, а из-за большой массы частиц они описываются с помощью моделей квантовой хромодинамики нерелятивистской теории.
Схема экзотических состояний: гибрид (разноароматные кварк и антикварк), глюоний, тетра- и пента- кварки, адронная молекула из двух мезонов и дейтерий в качестве элементарной молекулы
Liupan An / CERN-LHC seminar, June 16th2020
В ходе анализа ученые обнаружили узкий пик с энергией в 6900 мегаэлектронвольт и широкий пик в промежутке 6400-6600 мегаэлектронвольт. При попытке описания спектра в предположении об отсутствии новых частиц физики получили значительное отклонение, превышающее допустимые пять стандартных отклонений, в промежутке 6200-7400 мегаэлектронвольт, что подтверждает наличие в этом промежутке новой частицы. При этом пик с энергией в 6900 мегаэлектронвольт хорошо соотносится с образованием тетракварка Tcccc, а широкий пик может появиться по нескольким причинам — либо это другие состояния тетракварка Tcccc, либо состояние тетракварка интерферирует с одночастичным безрезонансным рассеянием, либо происходит более сложный распад.
Распределение числа событий по инвариантной массе с описанием данных через два граничных состояния тетракварка
Liupan An / CERN-LHC seminar, June 16th2020
Распределение числа событий по инвариантной массе с описанием данных через интерференцию тетракваркового состояния и одночастичного рассеяния
Liupan An / CERN-LHC seminar, June 16th2020
На Большом адронном коллайдере открыли новую форму материи. Почему ученые не понимают, с чем они столкнулись?
При участии российских физиков в ЦЕРН обнаружили новую частицу — экзотический тетракварк Tcс+, представляющий собой новую форму материи. В коллаборацию LHCb, которая сделала открытие, входят Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, Новосибирский государственный университет, Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова и другие организации. «Лента.ру» рассказывает о научном достижении и о том, что оно значит для физики частиц в целом.
Очарованные и прелестные
LHCb — это один из четырех детекторов, установленных на Большом адронном коллайдере, который предназначен для изучения физики прелестных кварков (b-кварков) и нарушения CP-симметрии при взаимодействии между этими кварками. CР-симметрией называют неизменность законов физики при замене всех частиц на античастицы при одновременном зеркальном отражении физических процессов. Считается, что некоторые частицы не соблюдают СР-симметрию, и это может объяснять, почему во Вселенной материя преобладает над антиматерией. Помимо основной задачи, детектор LHCb также задействован в экспериментах с очарованными кварками (с-кварками).
Материалы по теме
Игрушка дьявола
Сжалось и протекло
Тетракварки являются экзотическими мезонами, то есть частицами, в которых число кварков равно числу антикварков. Экзотическими их называют потому, что изначально предполагалось существование частиц, состоящих либо из трех кварков, как протоны и нейтроны, либо из кварка и антикварка. В своих фундаментальных работах 1964 года физики Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг, в которых они предложили кварковую модель, упомянули возможность добавления кварк-антикварковой пары к минимальной мезонной или барионной кварковой конфигурации для образования адронов с четырьмя (тетракварк) или пятью (пентакварк) кварковыми составляющими. При этом считалось, что состав тетракварков всегда соответствует формуле qq’QQ’, где q — это легкий кварк (верхний, нижний или странный), а Q — тяжелый кварк (очарованный или прелестный); апострофы обозначают соответствующие антикварки (легкие или тяжелые).
Физикам потребовалось 50 лет, чтобы получить однозначные экспериментальные доказательства существования экзотических адронов. В апреле 2014 года коллаборация LHCb опубликовала измерения, которые продемонстрировали, что частица Z (4430), впервые обнаруженная коллаборацией Belle, состоит из четырех кварков (ccud). Затем в июле 2015 года на Большом адронном коллайдере произошел поворотный момент в спектроскопии экзотических барионов, когда коллаборация LHCb сообщила о признаках существования пентакварков.
Считается, что первым экспериментально обнаруженным тетракварком стал Zc(3900), открытый в 2013 году сразу двумя независимыми научными коллективами на китайском электрон-позитронном коллайдере в BEPC II и в японской лаборатории Организации по изучению высокоэнергетических ускорителей. В 2015 году анализ распада лямбда-барионов, содержащих в своем составе один прелестный кварк (прелестные лямбда-барионы), раскрыл существование пентакварков — экзотических частиц, состоящих из пяти кварков. С тех пор экспериментально доказано существование 20 тетракварков и четырех пентакварков.
В июле 2020 года физики LHCb объявили о возможном открытии тетракварка с четырьмя очарованиями. До этого момента все известные экзотические частицы содержали пару очарованный кварк или очарованный антикварк или прелестный кварк и прелестный антикварк. В августе 2020 года впервые открыли тетракварк cdus с открытым очарованием, а в марте 2021 года — тетракварк со скрытым очарованием и странным кварком. О скрытом очаровании говорят, когда в составе адрона имеются очарованный кварк и очарованный антикварк. При открытом очаровании частицы не содержат очарованных антикварков, чтобы уравновесить очарованные кварки. Аналогичная терминология применяется к другим ароматам кварков.
На пике открытия
Новая частица проявила себя в виде узкого пика в спектре масс распада π+-мезона со статистической значимостью, превышающей 20 стандартных отклонений, что однозначно указывает на открытие. Физики проанализировали полный набор данных, полученных при сеансах работы коллайдера Run 1 и Run 2.
Тетракварк Tcс+, или ccud представляет собой единственную известную науке частицу, состоящую из четырех кварков, сразу два из которых являются очарованными (с-кварки), но при этом отсутствуют очарованные антикварки. Вместо них содержатся два антикварка с ароматами u (верхний) и d (нижний). То есть данная частица имеет открытое очарование и выходит за рамки традиционной схемы образования адронов, обнаруживаемой в мезонах и барионах. При этом время жизни нового тетракварка примерно в 10-500 раз больше, чем у частиц с похожей массой, что делает тетракварк Tcс+ рекордсменом-долгожителем.
Все наблюдавшиеся экзотические адроны распадаются за счет сильного взаимодействия. Долгоживущая экзотическая частица, стабильная по отношению к сильному взаимодействию, заинтриговала бы сообщество физиков элементарных частиц. Адрон с двумя тяжелыми кварками и двумя легкими антикварками — главный кандидат. Однако до сих пор было неясно, будет ли такая частица существовать.
Ситуация изменилась четыре года назад, когда коллаборация LHCb обнаружила барион, содержащий два очарованных кварка и один верхний кварк. Это наблюдение позволило предсказать существование стабильного тетракварка bbud с двумя прелестными кварками. Долгожданное открытие на этой неделе показывает, что ccud также существует, что дополнительно подтверждает существование тетракварка bbud, устойчивого к сильным и электромагнитным взаимодействиям.
Атом или молекула
Физики предполагают две возможности взаимодействия кварков внутри тетракварка. Кварки могут быть тесно взаимосвязаны друг с другом или представлять собой тесно взаимодействующие мезоны. Иными словами, в первом случае экзотическая частица может быть больше похожа на «атом», который имеет очень маленькое и тяжелое ядро, состоящее из двух очарованных кварков и окруженное облаком очень большого размера из легких антикварков. Или же она является «молекулой», в которой две тяжелые частицы D0 и D*+ вращаются друг вокруг друга на расстоянии примерно в восемь-десять раз больше размера каждой из этих частиц.
Поскольку пик в спектре масс распада π+-мезона близок к порогу, соответствующему массе пары очарованных мезонов D*+ D0, можно предположить, что наиболее вероятен вариант с «молекулой», хотя реальная природа этой близости пока остается загадкой, и она не исключает мультикварковую «атомную» структуру. Кроме того, существует загадочная частица χc1(3872), которая по массе тоже близка сумме масс очарованных мезонов. Сходство масс χc1(3872) и Tcс+ может указывать на глубокую, но еще не изученную связь между двумя частицами.
На этой неделе на конференции коллаборации LHCb было объявлено о наблюдении еще двух адронов, Ξb(6327)0 и Ξb(6330)0. Таким образом, к списку адронов, обнаруженных на Большом адронном коллайдере, были добавлены еще три адрона, в результате чего общее количество обнаруженных адронов достигло 62.