Физики определили параметры недавно открытого экзотического тетракварка. Он оказался очень большим и беспрецедентно долгоживущим.

Об открытии новой элементарной частицы, экзотического тетракварка T_cc+, физики коллаборации LHCb (ЦЕРН) объявили в конце июля, после чего её необычные свойства начали активно обсуждаться в профессиональном сообществе. 3 сентября 2021 года коллаборация LHCb представила уточнённые «паспортные данные» открытой частицы. Оказалось, она живёт беспрецедентно дольше своих собратьев — в 100-5000 раз и имеет большой размер, примерно равный ядру атома урана.

Одна из возможных внутренних структур новой частицы. (Источник: ЦЕРН)

Физики также установили некоторые квантовые числа нового тетракварка и выдвинули гипотезы о его внутренней структуре. Однако эти данные требуют дополнительной проверки. Результаты исследования направлены в журналы Nature Physics и Nature Communications, их препринты доступны на сайте arXiv [1] и [2]. 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.

Экзотический тетракварк T_cc+ сильно выделяется среди собратьев, обладая уникальными свойствами. Это 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, очарование (также чарм или шарм, по-английски charm, откуда стандартное обозначение: С) — одно из свойств элементарных частиц —  их квантовое число. Тетракварк — элементарная частица, состоящая из двух кварков и двух антикварков.

Главные характеристики частиц, отличающие одну от другой, — это их масса, время жизни и квантовые числа. Масса частицы в квантовой механике измеряется также 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. 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, две тяжёлые частицы связаны, но находятся друг относительно 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 (γ), 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.

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. Ближайший шаг — надёжное установление всех квантовых чисел T_cc+. Это для 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.

LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) — один из детекторов Большого адронного коллайдера (LHC), предназначенный для изучения B-мезонов, то есть частиц, содержащих b-кварк («прелестный» кварк). Построен LHC в ЦЕРНе (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям). 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). Всего на LHC с начала работы коллайдера открыто 62 новые элементарные частицы, из них 55 было обнаружено коллаборацией LHCb, а 6 из них — группой ИТЭФ.

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