Открыт тетракварк с двойным очарованием

Пятница, 30 июля 2021

На проходящей в эти дни Конференции Европейского физического сообщества эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил об открытии экзотического адрона, в состав которого входит сразу два очарованных кварка.

Рождение частиц с двойным очарованием, то есть содержащих в своем составе сразу два тяжелых c-кварка, – чрезвычайно редкий процесс. До настоящего времени была открыта лишь одна такая частица – дважды очарованный барион Ξcc++ с кварковым составом ucc [123]. Попытки поиска его изотопического партнера – бариона Ξcc+ – пока не увенчались успехом. Тем удивительнее открытие дважды очарованного тетракварка, о котором 28 июля 2021 года объявил эксперимент LHCb.

Экзотические адроныпентакварки (четыре кварка + один антикварк) и тетракварки (два кварка + два антикварка) – были предсказаны еще на заре кварковой теории адронов, однако экспериментально эти частицы стали доступны только в XXI веке, когда заработали e+e- и адронные коллайдеры высокой светимости. Исторически первой обнаруженной экзотической частицей было состояние X(3872). Эта частица была открыта в 2003 году экспериментом Belle. Обнаруженное состояние характеризовалось, во-первых, очень большим временем жизни, а во-вторых, массой очень близкой к сумме масс пары частиц с открытым очарованием – пары D0 и анти-D0* мезонов. В новой работе LHCb на всей доступной статистике посмотрел спектр масс системы D0- и D*+-мезонов, то есть двух одинаково очарованных частиц.

Мезон D*+ распадается на пару D0π+, сами же D0-мезоны идентифицировались по их распаду D0Kπ+. Комбинаторный фон сильно подавлен, так как в конечном состоянии регистрировалось сразу пять треков заряженных частиц, на четыре из которых накладывались жесткие кинематические ограничения, – масса их комбинации должна лежать в узком интервале, соответствующем массе D0. Чтобы выделить сигнал рождения от двух c-кварков, была проведена процедура аппроксимации двухмерного спектра m(K1π1+)-m(K2π2+), результаты которой показаны на рисунке 1. В результате были получены веса, которые позволили построить распределения для характеристик системы D0D0π+.

В спектре масс системы D0D0π+ на пороге открытия этого канала был обнаружен пик (см. рисунок 2), который интерпретируется как дважды очарованное тетракварковое состояние, образованное двумя c, анти-u и анти-d кварками (ccud). Новую частицу обозначают Tcc+. Статистическая значимость наблюдения существенно превышает десять стандартных отклонений, то есть возможность появления эффекта из-за статистической флуктуации исключена.

Теоретические модели предсказывают, что Tcc+ должен иметь единичный спин и положительную четность. Исходя из этого, экспериментаторы определили параметры обнаруженного резонанса. Примечательно, что пик расположен чуть-чуть ниже суммы масс D0- и  D*+- мезонов.

Теоретически возможны два описания внутреннего устройства Tcc+: квазимолекулярное и сильносвязанное. В первом случае очарованные кварки интенсивно взаимодействуют с антикварками, формируя D-мезоны, из которых состоит адронная молекула. Во втором, все четыре кварка интенсивно взаимодействуют друг с другом. Схематически это показано на рисунке 3. Какое из этих описаний верно, покажут дальнейшие исследования. Не исключен вариант суперпозиции этих двух сценариев.

Следует отметить, что представленные результаты пока носят предварительный характер, но в скором времени будут направлены в реферируемый научный журнал. Более подробно об этих исследованиях можно узнать из презентации LHCb на конференции EPS-2021, заметках на сайте эксперимента и в журнале CERN Courier. Приятно отметить, что большой вклад в обработку экспериментальных данных и получение конечного результата внесли наши коллеги из НИЦ «Курчатовский институт» - ИТЭФ. От всей души поздравляем коллег с этим значимым открытием!

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт