Пресс-центр

CMS сообщает о наблюдении распадов двух новых частиц

Эксперимент CMS, проводящийся на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил об обнаружении двух новых очарованно-прелестных частиц.

Мы часто сообщаем об открытиях эксперимента LHCb в области исследованиях частиц, в состав которых входят очарованные c кварки или прелестные b кварки, однако подобные исследования ведутся и другими экспериментами на БАК. Так, эксперимент CMS сообщил об обнаружении сигналов от распадов двух новых очарованно-прелестных мезонов. Мезонами называют частицы, состоящие из кварка и антикварка. Семейство заряженных B_c мезонов уникально тем, что мезоны состоят из b-кварка и с-антикварка или наоборот (тогда B_c будет иметь противоположный электрический заряд). Массу мезона определяют не только массы входящих в него составных частей (кварков), но и относительное направление их спинов и орбитальное движение друг относительно друга. Каждая такая квантовая система является фактически отдельной частицей.

Физики-теоретики умеют довольно хорошо рассчитывать свойства частиц, состоящих из тяжелых кварков (массы, типы переходов). Так для B_c -семейства предполагалась система уровней (частиц), изображенная на рисунке 1. На сегодняшний день из всей этой схемы было надежно экспериментально зарегистрировано лишь основное состояние, открытое в 1998 году экспериментом CDF, проводившемся на коллайдере Тэватрон в США. Позднее, на Тэватроне в эксперименте D0 наблюдались другие распады основного состояния B_c мезона. Поиск состояний с большей массой велся непрерывно все последующие годы. Однако, полученные результаты были противоречивы. В 2014 году эксперимент ATLAS сообщил о наблюдении состояния, которое могло быть интерпретировано как B_c(2S), однако в конце 2017 года эксперимент LHCb показал, что не наблюдает эту частицу. Следует отметить, что LHCb располагал экспериментальной статистикой в десять раз превышающую ту, что имел в своем распоряжении ATLAS. Обе эти работы были выполнены на данных первого этапа работы БАК (Run-I). В новой работе CMS использовал данные, набранные в 2016-2018 гг. в ходе второго этапа работы ускорителя БАК (Run-II).

B_c(2S)-мезоны должны распадаться практически мгновенно после образования, так как этот процесс обусловлен сильным взаимодействием. Процесс происходит с испусканием π⁺π^– (или π⁰π⁰) пар, при этом B_c(2S)⁺ мезоны распадаются в основное состояние, а B^*_c(2S)⁺ в B^*_c⁺, которые испускают фотон и переходят в основное состояние (это тоже происходит практически мгновенно, так как процесс обусловлен электромагнитным взаимодействием). Распад основного состояния обусловлен слабым взаимодействием и поэтому B_c⁺ мезон успевает отлететь от точки взаимодействия протонов на заметное расстояние.

Чтобы экспериментально обнаружить переходы между состояниями распадающихся частиц, физики проходят «обратный» путь. В данном случае, сначала необходимо зарегистрировать распад основного состояния. Это делают при помощи регистрации распадов B_c⁺ мезона на пион и частицу J/ψ, которая дальше распадается на пару мюонов. Спектр масс таких распадов B_c⁺, выделенных экспериментом CMS, приведен на рисунке 2 (слева). CMS реконструировал 7.5 тысяч распадов B_c⁺, что более чем в два раза превосходит статистику LHCb. Дальше события-кандидаты из области спектра богатой B_c⁺ комбинируются с парой треков от пионов противоположного заряда. B_c(2S) состояния проявляют себя как пики в спектре масс системы B_cπ⁺π^–. Из-за того, что фотон из распада B^*_c(2S)⁺→B^*_c⁺γ теряется, соответствующий пик лежит ниже массы B^*_c(2S)⁺, а также становится невозможно однозначно установить, какой из двух пиков относится к B^*_c(2S)⁺, а какой к B_c(2S)⁺ мезону. Оба пика установлены в высокой статистической значимости, позволяющей говорить о том, что физики наблюдают распады частиц, о существовании которых было известно лишь из теоретических расчетов (если не брать в расчет результаты эксперимента ATLAS).

Теперь необходимо чтобы эксперимент LHCb, который еще анализирует данные Run-II, подтвердил это открытие. Такие измерения являются необходимым (и очень богатым) источником информации для описания физики адронов в рамках квантовой хромодинамики – теории сильного взаимодействия. Следует также отметить, что сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие во всех упомянутых экспериментах на БАК – CMS, LHCb и ATLAS, а также принимали участие в эксперименте D0 на Тэватроне.