На Большом адронном коллайдере открыли прелестно-странный барион

Ученые международной коллаборации CMS ( Compact Muon Solenoid) на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, куда входят исследователи из Московского физико-технического института, Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» и Физического института РАН, объявили об обнаружении нового резонанса — элементарной частицы, представляющей собой возбужденное состояние одного из адронов, то есть мезонов или барионов. Все резонансы существуют крайне непродолжительно: 10^−22–10⁻²⁴ секунд, поэтому они обнаруживаются только в ходе анализа вторичных частиц.

Учеными был впервые замечен резонанс Ξ_b(6100)^– прелестно-странного бариона. Оно распадается на основное состояние Ξ_b^– («кси бэ минус барион») и два пи-мезона противоположных зарядов. В работе были использованы данные протон-протонных столкновений, собранные на Большом адронном коллайдере в 2016–2018 годах. Статья с итогами исследования отправлена в журнал Physical Review Letters, ее препринт доступен на сайте arxiv.org. Кратко об открытии рассказывают пресс-релизы CMS и МФТИ.

Согласно современным представлениям, большинство частиц (адроны) состоит из кварков, которые группируются в пары кварк-антикварк (в мезонах) или по три кварка (в барионах). Разновидности («ароматы») кварков, различающиеся зарядом и массой, обозначаются прилагательными: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный кварки. Например, нейтрон состоит из одного верхнего (up) и двух нижних (down) кварков, а протон — из двух верхних и одного нижнего. Помимо этих, самых легких барионов, существует и множество других состояний, отличающихся кварковым составом, массой, временем жизни и другими характеристиками. Таким семейством являются и Ξb барионы (произносится «кси бэ барионы»), состоящие из верхнего или нижнего, а также странного (strange) и прелестного (beauty) кварков. Нейтральный Ξ_b барион, состоящий из набора кварков (u, b, s), называется Ξ_b0, а его партнер с отрицательным зарядом (d, b, s) называется Ξ_b^– («кси бэ минус барион») Эти частицы живут короткое время и не присутствуют в стабильной материи, окружающей нас, но могут быть получены в экспериментах по физике высоких энергий на Большом адронном коллайдере или других ускорителях.

Первые Ξ_b^– барионы наблюдались на ускорителе Тэватрон в США более десяти лет назад. Их масса составляла около 5800 МэВ. Однако среди этих частиц имеется множество различных так называемых возбужденных состояний. Их кварковое содержимое идентично, но в зависимости от конкретной конфигурации кварков внутри бариона они могут иметь разные массы и квантовые числа за счет энергии спинового, радиального или орбитального возбуждения. Именно такие частицы называются резонансами. Несколько таких возбужденных состояний с массами около 5950 или 6227 МэВ уже были обнаружены на Большом адронном коллайдере. Еще один из подобных резонансов был обнаружен в нынешнем исследовании в распаде на «простой» Ξ_b^– барион и два пиона.

В коллаборации CMS Московский физико-технический институт представлен лабораторией физики высоких энергий, которой руководит Тагир Аушев, член-корреспондент РАН. Работа лаборатории тесно связана с образовательной программой «Фундаментальные взаимодействия и физика элементарных частиц» Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ под многолетним руководством академика РАН Михаила Данилова. Один из авторов работы, сотрудник лаборатории физики высоких энергий Кирилл Иванов так комментирует результаты: «Сильное взаимодействие отвечает за связь кварков внутри адронов и помогает предсказывать, как именно могут формироваться частицы. Обнаруженный нами новый прелестно-странный барион дает важный вклад в наше понимание сильного взаимодействия и поможет различным теоретическим моделям лучше рассчитывать свойства адронов, построить более точную спектроскопию их энергетических уровней».

«К этому результату мы шли почти два года, и поначалу было неочевидно, что на имеющейся статистике мы сможем эффективно восстановить и увидеть сигнал от нового бариона. Наша научная группа проделала большую работу по максимальному увеличению экспериментальной чувствительности. И как результат — новая частица обнаружена с большой статистической значимостью. Очень надеюсь, что впереди у нас много новых исследований в рамках эксперимента CMS», — объясняет старший научный сотрудник лаборатории физики высоких энергий и доцент МФТИ Руслан Чистов.