Об открытии ещё одной новой элементарной частицы, экзотического тетракварка T_cc⁺ физики коллаборации LHCb в ЦЕРНе объявили на конференции Европейского физического общества в конце июля нынешнего года

Типичная компьютерная реконструкция отклика детектора LHCb на поток частиц (показаны разными цветами), родившихся при столкновении двух протонов. Иллюстрация: CERN.

Одна из возможных внутренних структур нового тетракварка: очарованные кварки (с) образуют тяжёлый компактный дикварк, вокруг которого обращается пара лёгких антикварков (ū и đ). Рисунки: CERN.

Ещё один возможный вариант внутренней структуры нового тетракварка — мезон-мезонная молекула. Каждый мезон содержит тяжёлый очарованный кварк (с) и лёгкий антикварк. Рисунки: CERN.

Адронный калориметр — инструмент, с помощью которого команда коллаборации LHCb измеряет энергию частиц, содержащих кварки. Фото: Maximilien Brice /CERN.

Своей стабильностью новый тетракварк обязан уникальному кварковому составу: два тяжёлых очарованных кварка и два лёгких антикварка. Это пока единственный известный науке дважды очарованный тетракварк, то есть содержащий сразу два очарованных кварка, но не имеющий в своём составе очарованных антикварков. Поэтому его характеристики, которые условно называют «паспортом частицы», представляют большой научный интерес. Напомним, кварки — это фундаментальные частицы, из которых состоят адроны, например протоны и нейтроны. Очарование (также чарм или шарм, по-английски charm, откуда стандартное обозначение С) — одно из свойств кварков, квантовое число. Большинство адронов состоит из двух или трёх кварков. Долгое время существование более тяжёлых частиц обнаружить не удавалось, хотя теория их предсказывала. Прорыв произошёл в 2014 году, когда эксперимент LHCb подтвердил существование тетракварков, а позже и пентакварков, названных экзотическими частицами. После этого революционного события в эксперименте LHCb и других экспериментах уже регулярно находили новые тетракварки и пентакварки, каждый со своим внутренним строением.

Длительный срок жизни нового тетракварка впервые позволил физикам точно измерить его массу. Это было сложно сделать с его короткоживущими собратьями из-за принципа неопределённости Гейзенберга. В соответствии с этим знаменитым принципом квантовой механики нельзя одновременно точно знать несколько характеристик квантово-механического объекта. Например, если точно известно положение частицы, то её импульс уже находится с большой погрешностью — неопределённостью. Аналогично обстоят дела со временем жизни частицы и её массой: если частица быстро распадается, невозможно точно определить её массу. На графике, построенном по экспериментальным данным, физики видят эту неопределённость как широкий пик, размазанный по возможным массам. Для стабильной частицы на графике появляется резкий пик, соответствующий чётко определённой массе.

Эксперимент LHCb ищет новые формы материи в столкновениях протонов, ускоренных на Большом адронном коллайдере. При столкновении двух быстрых протонов кварки из них высвобождаются и вместе с глюонами, частицами-переносчиками сильного взаимодействия, которое «склеивает» кварки между собой, образуют в крошечном объёме нечто вроде «бульона». Поскольку кварки не могут существовать долго в одиночку (явление конфайнмента), они случайным образом создают в этом «бульоне» пары кварк-антикварк. Если они сближаются, то могут образовываться редкие многокварковые адроны. Такие экзоты живут недолго и распадаются на более стабильные частицы (возможна цепочка распадов), которые и регистрируются детектором LHCb. По ним физики реконструируют частицы, рождённые в столкновении, и определяют их свойства. Главные характеристики частиц, отличающие одну от другой, — это их масса, время жизни и квантовые числа.

Масса частицы в квантовой механике измеряется в энергетических величинах, поскольку связана с суммарной энергией знаменитым соотношением E = mc². По уточнённым данным, масса T_cc⁺ составляет 3874,73 МэВ, то есть меньше суммы масс D⁰ и D^*+ мезонов на 359 кэВ (с погрешностью приблизительно 40 кэВ). То, что масса тетракварка очень близка к сумме масс D⁰ и D^*+ мезонов, важно, поскольку может указывать на молекулярную структуру тетракварка (по аналогии с обычной молекулой, когда две тяжёлые частицы связаны, но находятся относительно друг друга на большом расстоянии). Соответственно, T_cc⁺ может распадаться на систему частиц, содержащую эти мезоны. Собственно, по такому распаду на три мезона D⁰D⁰π⁺ и была обнаружена, а затем реконструирована новая частица.

Для полноты «паспортных данных» частицы необходимо определить вероятности распада тетракварка во все возможные конечные состояния. Косвенные признаки указывают на то, что в общей сложности есть три наиболее вероятных конечных состояния, помимо D⁰D⁰π⁺ ещё и D⁰D⁺π⁰ и D⁰D⁺γ. В настоящее время проблема изучения конечных состояний связана с тем, что LHCb рекордно хорошо регистрирует и измеряет параметры заряженных частиц и гораздо хуже — нейтральных. В случае D⁰D⁰π⁺ все частицы в конечном состоянии заряженные, поэтому и удалось произвести точные измерения. А если имеется нейтральная частица, например π⁰, то в конечном состоянии она распадается на два гамма-кванта, и необходимо измерять направление их вылета и энергии. Но энергетическое разрешение для гамма-квантов много хуже, чем для заряженных частиц, поэтому выделить сигнал на уровне фона в этом случае значительно труднее. Авторы работы видят косвенные признаки распада тетракварка в состояния с гамма-квантами, но полностью его реконструировать пока не могут. Для этого требуется больше времени и больше статистики.

Точное измерение массы нового тетракварка, возможно, ответит на вопрос, над которым физики бьются с тех пор, как открыли свой первый экзотический адрон: как кварки связываются вместе? Находятся ли они в плотном сгустке или больше похожи на рыхлую молекулу, состоящую из двух кварковых пар? Или это что-то среднее? Экзотические частицы могут стать недостающими фрагментами в понимании гораздо более привычного объекта — атомного ядра. Открытый тетракварк можно рассматривать как упрощённую модель протона и нейтрона, связанных вместе в ядре изотопа водорода — дейтроне.

В настоящее время теория даёт хорошие прогнозы на очень малых масштабах, около одной сотой размера протона и меньше. Но при переходе к размеру протона или более вычисления становятся настолько сложными, что пока никто не может их выполнить. Поэтому при моделировании взаимодействий кварков внутри стабильного атомного ядра теоретики вынуждены делать различные предположения и упрощения. Однако для систем, содержащих тяжёлые кварки, точные вычисления производить проще. Именно из-за этого физики используют частицы с тяжёлыми кварками (и их чётко определённые математические модели) в качестве проверки теоретических предположений об атомных ядрах. Если мы сможем лучше понять, как кварки связываются в тетракварках, мы получим более ясное представление о том, как такое взаимодействие происходит внутри атомных ядер. Особенно это важно для более крупных атомных ядер, которые в настоящее время слишком сложны для описания.

Экспериментаторы очень точно измерили массу и ширину пика для новой частицы, а также выдвинули гипотезы о её внутренней с труктуре. Они надеются, что это подтолкнёт теоретиков к более точным вычислениям и к более глубокому пониманию экзотических адронов. Исследователи полагают, что полученные интереснейшие результаты будут стимулировать коллаборацию LHCb, которая тратит заметную часть усилий на изучение прелестных мезонов и прелестных барионов, прицельно изучать и новый подвид частиц. Здесь надо заметить, что LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) — один из детекторов Большого адронного коллайдера (LHC), изначально предназначенный для изучения B-мезонов, то есть частиц, содержащих b-кварк (beauty — «прелестный»).

Ближайший шаг — надёжное установление квантовых чисел T_cc⁺. Финальное определение квантовых чисел элементарной частицы сравнимо с получением паспорта у человека. Она тогда перейдёт из кандидатов в «настоящие» частицы. Только после этого ей присваивается официальное название. В отличие от людей, имя частице даётся не произвольно, а в соответствии с установленной номенклатурой, в зависимости от квантовых чисел и кваркового состава. Открытый тетракварк не укладывается в уже хорошо установленные правила. Для него, возможно, придётся придумывать что-то новое, поэтому предварительное имя может поменяться.

Результаты исследования опубликованы в виде препринтов и направлены в журналы «Nature Physics» и «Nature Communications». Участники коллаборации посвятили научную публикацию об открытии T_cc⁺ памяти выдающегося физика Семёна Исааковича Эйдельмана (1948—2021), который проработал в ИЯФ СО РАН и НГУ много лет. В коллаборацию LHCb входят несколько российских научных организаций: Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), Новосибирский государственный университет (НГУ), Институт теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова НИЦ «Курчатовский институт» (ИТЭФ).

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

№10, 2021