Физики объявили об обнаружении новой элементарной частицы – резонанса прелестно-странного кси бариона на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН

В настоящее время открытие новых элементарных частиц уже не представляет собой столь значимое событие, как это было более полувека тому назад, тем не менее, такие события продвигают физику в понимании фундаментальных взаимодействий частиц и их свойств, позволяют выбрать наиболее адекватные модели, описывающие характеристики частиц.

Схема распада возбуждённого прелестно-странного бариона на основное состояние и два пиона (зеленые линии) с противоположными знаками. В свою очередь основное состояние распалось на J/ѱ, L и К^– частицы, далее J/ѱ – на два мюона (красные линии), а Λ – на протон и пион (синяя и голубая линии). K^– обозначен желтой линией.

Один из вариантов топологии распада. Треки заряженных частиц искривляются в присутствии магнитного поля CMS.

Детектор CMS построен вокруг огромного цилиндрического магнита, который генерирует поле в 4 тесла, что примерно в 100000 раз больше магнитного поля Земли. Масса детектора свыше 14 000 тонн, длина 21 м, ширина 15 м и высота 15 м.

Международная коллаборация CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН, в которой широко представлены российские исследователи, сообщила об обнаружении новой элементарной частицы. Она представляет собой орбитальное возбужденное состояние (резонанс) прелестно-странного кси бариона, получившее обозначение Ξ_b(6100)^– (произносится: «кси бэ минус барион»). В скобках указана масса новой частицы 6100 МэВ. В работе были использованы данные протон-протонных столкновений, полученные на Большом адронном коллайдере в 2016–2018 годах. Результаты исследования будут опубликованы журнале Physical Review Letters, а с препринтом статьи можно познакомиться на сайте arxiv.org.

Барион – это элементарная частица, состоящая из трёх кварков. Знакомыми всем представителями барионов служат протон и нейтрон, образованные из верхних (up) и нижних (down) кварков. Они совместно с электронами формируют всё стабильное видимое вещество нашей Вселенной. Семейство прелестно-странных кси барионов состоит из верхнего или нижнего, а также странного (strange) и прелестного (beauty) кварков. Эти частицы живут короткое время и отсутствуют в окружающем нас стабильном мире. Однако они могут быть получены в экспериментах по физике высоких энергий (в частности, в протон-протонных столкновениях) на Большом адронном коллайдере и обнаружены по продуктам их распада с помощью детекторов частиц, таких как эксперимент CMS.

Частицы с одинаковым кварковым составом могут иметь разные характеристики (массы, квантовые числа и др.) за счёт энергии спинового, радиального или орбитального возбуждения. Такие частицы называются резонансами. Первые Ξb– барионы массой около 5800 МэВ были получены на ускорителе Теватрон Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США) более десяти лет назад. Несколько резонансов с массами около 5950 и 6227 МэВ были уже найдены и на БАК. В данном исследовании найден ещё один резонанс по распаду на Ξ_b^– барион в основном состоянии и два пи-мезона.

Важнейшая часть нового анализа – надёжная реконструкция частиц, на которые распадаются новые барионы. Характерная черта этих распадов в том, что они происходят каскадно, поэтому Ξ иногда даже называют каскадным барионом. В магнитном поле, создаваемом сверхпроводящим соленоидом, в честь которого назван эксперимент CMS, заряженные частицы (протоны, мюоны, заряженные каоны и пионы) оставляют искривлённые дорожки. Причём распадающиеся частицы существуют достаточно долго, чтобы вершины их распада были значительно удалены от места рождения. Эти вершины и были идентифицированы с помощью очень точного отслеживания детекторами эксперимента CMS.

Сильное взаимодействие отвечает за взаимодействие между кварками и может использоваться для предсказания образования барионов в квантовой хромодинамике – части Стандартной модели физики элементарных частиц. Однако в ней существует множество различных теоретических моделей, рассчитывающих свойства (массу, естественную ширину, квантовые числа, моды распада и т. д.) возбуждённых состояний. Исследователи надеются, что новый барион внесёт существенный вклад в понимание сильного взаимодействия, свойств частиц и позволит пролить свет на различие между моделями. В дальнейшем это позволит теоретическим моделям лучше рассчитывать свойства адронов и построить более точную картину их энергетических уровней (спектроскопию).

Спектроскопия адронов, содержащих прелестные кварки, до сих пор скрывает много секретов. Во время прогона 3 на LHC, который запланирован на начало 2022 года, будет собрана новая большая выборка статистических данных. Ещё в десять раз больше данных появится, когда в 2027 году будет запущен LHC с высокой светимостью. Физики от них ожидают новых результатов.

Компактный мюонный соленоид (CMS – Compact Muon Solenoid) — один из двух больших универсальных детекторов элементарных частиц на Большом адронном коллайдере в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН). В коллаборацию CMS, которая построила детектор и в настоящее время (конец 2019 года) работает с ним, входят около 5000 человек из 200 научных организаций в 50 странах. Это один из крупнейших международных научных совместных проектов в истории. Россию в нём представляют исследователи из МФТИ, МИФИ, ФИАН, ОИЯИ, ИТЭФ, НИЯФ, ИФВЭ, Новосибирского государственного университета и Томского политехнического университета.

По материалам пресс-релизов МФТИ и ЦЕРН.