Международная коллаборация LHCb на Большом адронном коллайдере (LHC) обнаружила три экзотические частицы: новый вид «пентакварков» и первую в мире пару «тетракварков», в которую входит новый тип тетракварков. Результаты уже презентовали на семинаре ЦЕРНа. Они помогут физикам лучше понять, как кварки связываются вместе в подобные частицы.
Физикам известны шесть кварков с различными ароматами: верхний (u), нижний (d), странный (s), очарованный (c), прелестный (b) и истинный (t) (последние два ещё называют боттом- и топ-кварками). Вместе со своими античастицами они образуют 12 базовых элементов, из которых в природе формируется кварковая материя. Обычно кварки объединяются в группы по два и три, образуя адроны, такие как протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра (чаще всего речь идет о группировке кварков по трое в барионы или по двое в виде кварк-антикварковой пары в мезоны). Однако реже они также могут объединяться в четырехкварковые и пятикварковые частицы («тетракварки» и «пентакварки»). То, что эти экзотические адроны существуют, теоретики предсказали ещё около шести десятилетий назад, но в LHCb их обнаружили относительно недавно.
Теперь физики из коллаборации сообщили об обнаружении сразу трёх экзотических частиц: странного пентакварка, открыто очарованного дважды заряженного тетракварка, а также его нейтрального партнера. Следы новых адронов проявились в распадах заряженных и нейтральных B-мезонов. Новые результаты отличаются высокой статистической значимостью.
Два года назад коллаборация уже обнаружила тетракварк, состоящий из двух очарованных кварков и двух очарованных антикварков, и два открыто очарованных тетракварка, состоящих из очарованного антикварка, верхнего кварка, нижнего кварка и странного антикварка. А в прошлом году она обнаружила первый в истории экземпляр открыто очарованного дважды заряженного тетракварка с двумя очарованными кварками и антикварком с верхним и нижним очарованием.
Сегодняшние открытия включают новые виды экзотических адронов. Первый вид, наблюдаемый при анализе «распадов» отрицательно заряженных В-мезонов, представляет собой пентакварк, состоящий из очарованного кварка и очарованного антикварка, а также верхнего, нижнего и странного кварков. Это первый пентакварк, содержащий странный кварк. Открытие имеет серьёзную статистическую значимость в 15 стандартных отклонений, что намного превышает 5 стандартных отклонений, необходимых для утверждения о наблюдении в физике элементарных частиц.
Второй вид — тетракварк с двойным электрическим зарядом. Это открыто очарованный тетракварк, состоящий из очарованного кварка, странного антикварка, верхнего и нижнего антикварков, и он был обнаружен вместе со своим нейтральным аналогом при совместном анализе распадов положительно заряженных и нейтральных B-мезонов. Новые тетракварки, наблюдаемые со статистической значимостью 6,5 (двухзарядная частица) и 8 (нейтральная частица) стандартных отклонений, представляют собой первый случай наблюдения пары тетракварков.
«Чем больше анализов мы проводим, тем больше видов экзотических адронов мы находим», — говорит координатор по физике LHCb Нильс Тюнинг. — «Мы наблюдаем период открытий, подобный 1950-м годам, когда возник “зоопарк частиц” адронов, что в конечном итоге привело к кварковой модели обычных адронов в 1960-х годах. Мы создаем “зоопарк частиц 2.0”».
Представитель LHCb Крис Паркс отмечает, что обнаружение новых видов тетракварков и пентакварков и измерение их свойств поможет теоретикам разработать единую модель экзотических адронов, точная природа которых в значительной степени неизвестна, а также лучше понять обычные адроны.
В то время как некоторые теоретические модели описывают экзотические адроны как отдельные единицы тесно связанных кварков, другие модели рассматривают их как пары стандартных адронов, слабо связанных в молекулярно-подобную структуру. Дальнейшие исследования экзотических адронов покажут, чем являются эти частицы.
22 апреля Большой адронный коллайдер ввели в строй после трёхлетнего перерыва на модернизацию. Сообщалось, что уже летом на БАК пройдёт очередной цикл сбора физических данных, чтобы детально изучить бозон Хиггса и подвергнуть Стандартную модель физики элементарных частиц и ее различные расширения разным испытаниям.
4 июля БАК запустили на полную мощность. Физики начали первые эксперименты по столкновению протонов с энергией 13,6 тераэлектронвольт.
