На Большом адронном коллайдере открыли новую форму материи. Почему ученые не понимают, с чем они столкнулись?

При участии российских физиков в ЦЕРН обнаружили новую частицу — экзотический тетракварк Tcс+, представляющий собой новую форму материи. В коллаборацию LHCb, которая сделала открытие, входят Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, Новосибирский государственный университет, Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова и другие организации. «Лента.ру» рассказывает о научном достижении и о том, что оно значит для физики частиц в целом.

Очарованные и прелестные

LHCb — это один из четырех детекторов, установленных на Большом адронном коллайдере, который предназначен для изучения физики прелестных кварков (b-кварков) и нарушения CP-симметрии при взаимодействии между этими кварками. CР-симметрией называют неизменность законов физики при замене всех частиц на античастицы при одновременном зеркальном отражении физических процессов. Считается, что некоторые частицы не соблюдают СР-симметрию, и это может объяснять, почему во Вселенной материя преобладает над антиматерией. Помимо основной задачи, детектор LHCb также задействован в экспериментах с очарованными кварками (с-кварками).

Тетракварки являются экзотическими мезонами, то есть частицами, в которых число кварков равно числу антикварков. Экзотическими их называют потому, что изначально предполагалось существование частиц, состоящих либо из трех кварков, как протоны и нейтроны, либо из кварка и антикварка. В своих фундаментальных работах 1964 года физики Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг, в которых они предложили кварковую модель, упомянули возможность добавления кварк-антикварковой пары к минимальной мезонной или барионной кварковой конфигурации для образования адронов с четырьмя (тетракварк) или пятью (пентакварк) кварковыми составляющими. При этом считалось, что состав тетракварков всегда соответствует формуле qq'QQ', где q — это легкий кварк (верхний, нижний или странный), а Q — тяжелый кварк (очарованный или прелестный); апострофы обозначают соответствующие антикварки (легкие или тяжелые).

Физикам потребовалось 50 лет, чтобы получить однозначные экспериментальные доказательства существования экзотических адронов. В апреле 2014 года коллаборация LHCb опубликовала измерения, которые продемонстрировали, что частица Z (4430), впервые обнаруженная коллаборацией Belle, состоит из четырех кварков (ccud). Затем в июле 2015 года на Большом адронном коллайдере произошел поворотный момент в спектроскопии экзотических барионов, когда коллаборация LHCb сообщила о признаках существования пентакварков.

Считается, что первым экспериментально обнаруженным тетракварком стал Zc(3900), открытый в 2013 году сразу двумя независимыми научными коллективами на китайском электрон-позитронном коллайдере в BEPC II и в японской лаборатории Организации по изучению высокоэнергетических ускорителей. В 2015 году анализ распада лямбда-барионов, содержащих в своем составе один прелестный кварк (прелестные лямбда-барионы), раскрыл существование пентакварков — экзотических частиц, состоящих из пяти кварков. С тех пор экспериментально доказано существование 20 тетракварков и четырех пентакварков.

В июле 2020 года физики LHCb объявили о возможном открытии тетракварка с четырьмя очарованиями. До этого момента все известные экзотические частицы содержали пару очарованный кварк или очарованный антикварк или прелестный кварк и прелестный антикварк. В августе 2020 года впервые открыли тетракварк cdus с открытым очарованием, а в марте 2021 года — тетракварк со скрытым очарованием и странным кварком. О скрытом очаровании говорят, когда в составе адрона имеются очарованный кварк и очарованный антикварк. При открытом очаровании частицы не содержат очарованных антикварков, чтобы уравновесить очарованные кварки. Аналогичная терминология применяется к другим ароматам кварков.

На пике открытия

Новая частица проявила себя в виде узкого пика в спектре масс распада π+-мезона со статистической значимостью, превышающей 20 стандартных отклонений, что однозначно указывает на открытие. Физики проанализировали полный набор данных, полученных при сеансах работы коллайдера Run 1 и Run 2.

Тетракварк Tcс+, или ccud представляет собой единственную известную науке частицу, состоящую из четырех кварков, сразу два из которых являются очарованными (с-кварки), но при этом отсутствуют очарованные антикварки. Вместо них содержатся два антикварка с ароматами u (верхний) и d (нижний). То есть данная частица имеет открытое очарование и выходит за рамки традиционной схемы образования адронов, обнаруживаемой в мезонах и барионах. При этом время жизни нового тетракварка примерно в 10-500 раз больше, чем у частиц с похожей массой, что делает тетракварк Tcс+ рекордсменом-долгожителем.

Все наблюдавшиеся экзотические адроны распадаются за счет сильного взаимодействия. Долгоживущая экзотическая частица, стабильная по отношению к сильному взаимодействию, заинтриговала бы сообщество физиков элементарных частиц. Адрон с двумя тяжелыми кварками и двумя легкими антикварками — главный кандидат. Однако до сих пор было неясно, будет ли такая частица существовать.

Ситуация изменилась четыре года назад, когда коллаборация LHCb обнаружила барион, содержащий два очарованных кварка и один верхний кварк. Это наблюдение позволило предсказать существование стабильного тетракварка bbud с двумя прелестными кварками. Долгожданное открытие на этой неделе показывает, что ccud также существует, что дополнительно подтверждает существование тетракварка bbud, устойчивого к сильным и электромагнитным взаимодействиям.

Атом или молекула

Физики предполагают две возможности взаимодействия кварков внутри тетракварка. Кварки могут быть тесно взаимосвязаны друг с другом или представлять собой тесно взаимодействующие мезоны. Иными словами, в первом случае экзотическая частица может быть больше похожа на «атом», который имеет очень маленькое и тяжелое ядро, состоящее из двух очарованных кварков и окруженное облаком очень большого размера из легких антикварков. Или же она является «молекулой», в которой две тяжелые частицы D0 и D*+ вращаются друг вокруг друга на расстоянии примерно в восемь-десять раз больше размера каждой из этих частиц.

Поскольку пик в спектре масс распада π+-мезона близок к порогу, соответствующему массе пары очарованных мезонов D*+ D0, можно предположить, что наиболее вероятен вариант с «молекулой», хотя реальная природа этой близости пока остается загадкой, и она не исключает мультикварковую «атомную» структуру. Кроме того, существует загадочная частица χc1(3872), которая по массе тоже близка сумме масс очарованных мезонов. Сходство масс χc1(3872) и Tcс+ может указывать на глубокую, но еще не изученную связь между двумя частицами.

На этой неделе на конференции коллаборации LHCb было объявлено о наблюдении еще двух адронов, Ξb(6327)0 и Ξb(6330)0. Таким образом, к списку адронов, обнаруженных на Большом адронном коллайдере, были добавлены еще три адрона, в результате чего общее количество обнаруженных адронов достигло 62.