На Большом адронном коллайдере открыли новую частицу

Коллаборация LHCb обнаружила новую частицу, в состав которой входят один странный кварк и два очарованных. Тем самым физики завершили открытие всего семейства дважды очарованных барионов — частиц, состоящих из двух очарованных кварков и одного дополнительного кварка — и поставили точку в истории, которая тянется уже более шести десятилетий.

Кварки — это фундаментальные кирпичики материи. Всего их шесть типов (верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный), и они объединяются в пары или тройки, образуя соответственно мезоны и барионы. Шестьдесят лет назад, когда эксперименты только начали показывать, что материя состоит из кварков, исследователи уже строили теоретические модели, чтобы классифицировать возможные комбинации кварков в составные частицы — и вскоре научились предсказывать свойства еще не открытых частиц.

Поворотным моментом стало открытие в 1964 году новой частицы в Брукхейвенской национальной лаборатории. Она состояла из трех странных кварков и была предсказана теоретиками заранее; экспериментальное подтверждение ее существования и свойств наглядно продемонстрировало мощь теоретизирования.

Дважды очарованные

Десять лет спустя, в 1974 году, еще одно открытие всколыхнуло мир физики элементарных частиц — был обнаружен четвертый кварк, очарованный. Это означало, что модели придется расширить, чтобы охватить множество новых возможных комбинаций кварков. Среди этих предсказаний фигурировали и дважды очарованные барионы. Они состоят из двух очарованных кварков, а третьим выступает либо верхний, либо нижний, либо странный кварк. Физики проявляют особый интерес к этому семейству, поскольку большое различие в массах кварков может дать ценную информацию о сильном взаимодействии — той силе, которая скрепляет кварки внутри составных частиц.

Однако эксперименты того времени не могли ни производить дважды очарованные барионы в достаточном количестве, ни обладали достаточной чувствительностью для их регистрации. Чтобы было нагляднее: знаковое открытие частицы из трех странных кварков в 1964 году было сделано путем просмотра 80 000 фотографий столкновений частиц в пузырьковых камерах. Для поисков дважды очарованных барионов на серьезной основе потребовались гораздо более высокие энергии Большого адронного коллайдера (БАК) и анализ триллионов столкновений частиц.

Цепочка открытий

Первый из этих барионов коллаборация LHCb открыла в 2017 году, второй — минувшей весной. И вот, спустя 50 лет после того, как они были впервые предсказаны, обнаружен третий и последний представитель семейства.

Открытие представлено на 21-й Международной конференции по B-физике на коллайдерах нового поколения в Маастрихте. Оно основано на данных, собранных в 2024 году в ходе столкновений протонов на высоких энергиях в БАК. В этих столкновениях рождались новые дважды очарованные барионы, но они крайне недолговечны — пролетев в детекторе долю миллиметра, они распадаются на более стабильные частицы. Участники коллаборации LHCb проследили траектории, оставленные частицами в детекторе, до точек их рождения. Так был обнаружен характерный след новой короткоживущей частицы с массой примерно в четыре раза больше, чем у протона.

«Это момент большой исторической значимости. Из 85 составных частиц, открытых на БАК на сегодняшний день, эти три дважды очарованных бариона уникальны. Они распадаются за счет слабого взаимодействия и живут достаточно долго, чтобы можно было измерить расстояние, которое они пролетают. Это открытие стало возможным благодаря модернизации детектора LHCb и его возросшим возможностям по отслеживанию и идентификации частиц», — пояснила физик Паула Коллинз, вступающая в должность заместителя руководителя эксперимента LHCb.

Что дальше

Но история на этом не заканчивается. В дальнейших исследованиях будут использованы новейшие данные эксперимента LHCb для прецизионных измерений свойств новой частицы, включая ее массу и время жизни, а также для уточнения соответствующих параметров уже известных дважды очарованных барионов. Кроме того, еще предстоит обнаружить возбужденные состояния этих частиц, а также новые барионы, содержащие прелестные кварки — либо вместо очарованных, либо в дополнение к ним.