Группа LHCb открыла новое возбужденное состояние чармония ψ₃(1D) — частицу, которая состоит из c-кварка и с-антикварка, имеет массу 3843 мегаэлектронвольт и спин, равный трем. Для этого ученые проанализировали данные о рождении D⁺D⁻ и D⁰D̅⁰-мезонов, собранные на Большом адронном коллайдере между 2011 и 2018 годом. Об открытии ученые рассказали на конференции The International Workshop «e⁺e⁻ Collisions From Phi to Psi 2019», кратко о нем сообщает пресс-служба Института ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН.

Частицу, которая состоит из кварка и антикварка одного и того же аромата, физики называют кварконием. Как правило, этот термин используют только для связанных состояний тяжелых кварков — чармония (c-кварк плюс c-антикварк) и боттомония (b-кварк плюс b-антикварк), потому что физические состояния легких кварков (u, d, s) в эксперименте всегда наблюдаются в суперпозиции (грубо говоря, «смешиваются» друг с другом). Впервые ученые обнаружили кварконий более сорока лет назад — в 1974 году сразу две группы физиков открыли J/ψ-мезон, который представлял собой возбужденное состояние чармония. В настоящее время физикам известно более десяти частиц, состоящих из c-кварка и c-антикварка (и примерно столько же для b-кварков и антикварков).

На первый взгляд, такое разнообразие кажется неестественным — ведь все такие частицы состоят из одних и тех же кварков. Тем не менее, важно помнить, что свойства мезонов и адронов зависят не столько от их «состава», сколько от того, в каком порядке кварки расположены внутри частицы. Например, если «отодвинуть» кварки друг от друга, энергия их связи вырастет, а вместе с ней увеличится масса частицы. Аналогичным образом можно изменить спин, четность и другие квантовые числа. Например, основное состояние чармония — η_c(1S)-мезон, — имеет массу около 2,98 гигаэлектронвольт и нулевой спин, а первое возбужденное состояние — J/ψ-мезон — «весит» 3,096 гигаэлектронвольт и имеет единичный спин. Поведение возбужденного состояния — например, каналы и вероятности распада — отличается от поведения исходной частицы, поэтому физики рассматривают возбужденные состояния как самостоятельные частицы. К сожалению, далеко не все состояния, которые предсказывает Стандартная модель, наблюдались на практике. В то же время, чтобы проверить предсказания теории и, возможно, найти многообещающие отклонения, нужно закрыть все ее «пробелы».

Группа LHCb обнаружила еще одно возбужденное состояние чармония — частицу ψ₃(1D), — тем самым подтвердив теоретические предсказания. Масса новой частицы примерно равна 3843±1 мегаэлектронвольт, а ширина распада — всего 3±1 мегаэлектронвольта. Эта ширина примерно в 10–20 раз меньше характерной ширины распада других возбужденных состояний чармония, однако она совпадает с теоретическими предсказаниями для состояния со спином 3. Поэтому ученые считают, что обнаруженная частица действительно является состоянием ψ₃(1D). Впрочем, окончательно это подтвердить удастся только после измерения ее квантовых чисел.

Чтобы разглядеть новую частицу, ученые сталкивали на Большом адронном коллайдере протоны и наблюдали за рождением пар D⁺D⁻ и D⁰D̅⁰–мезонов — частиц, которые состоят из одного c-кварка и u- или d-антикварка (или соответствующих античастиц). Постепенно в зависимости частоты столкновений от инвариантной массы пар мезонов (как говорят физики, в спектре) образовался «холмик», который указывал на новую частицу с массой 3843 мегаэлектронвольта. После этого ученые еще полгода перепроверяли данные, прежде чем рассказать о них на конференции (впрочем, точные данные о статистической значимости открытия в докладе не приводятся, хотя докладчик утверждает, что она достаточно велика). Подробнее об этом процессе можно прочитать в статье «Анатомия одной новости». Ранее такие распады не удавалось обнаружить, поскольку наблюдаемый сигнал довольно слабый, и собранных данных было недостаточно. В этом анализе ученые использовали данные, собранные детектором LHCb за период между 2011 и 2018 годом.

О том, как ученые ищут «новую физику» с помощью детектора LHCb, можно прочитать в интервью Гая Уилкинсона и Рольфа Линднера — официального представителя и технического директора проекта. Как исследователи анализируют большие объемы данных, чтобы найти среди них распады новых частиц, рассказывает материал «Рудник нолей и единиц». А о последних открытиях Большого адронного коллайдера можно узнать из рубрики «Второй сезон коллайдера». В частности, в этой рубрике рассказывается, как ученые открыли тетракварки и пентакварки, нашли дважды очарованный барион и увидели рассеяние фотона на фотоне.

Дмитрий Трунин