Пресс-центр

LHCb открыл новые пентакварковые состояния

Эксперимент LHCb, проводящийся на Большом адронном коллайдере (БАК), обновил анализ данных, посвященный поиску промежуточных резонансных петнакварковых состояний в распаде Λ_b⁰ →J/ψpK^-. Набранная экспериментальная статистика выросла в 10 раз. В спектре масс J/ψp наблюдаются три узких пика, соответствующие P_c(4312)⁺, P_c(4440)⁺ и P_c(4457)⁺ состояниям. Данное наблюдение требует тщательной теоретической интерпретации, так как открытые состояния находятся вблизи энергетических порогов образования пар частиц с открытым очарованием.

Из-за конфайнмента (одной из особенностей сильного взаимодействия) кварки и антикварки образуют строго определенные связанные состояния, называемые адронами. Два самых широко распространённых типа адронов – это барионы (три валентных (анти)кварка) и мезоны (пары кварк-антикварк). Теоретически не запрещено существование и других комбинаций, например, тетракварка ( ) или пентакварка ( ). Большим достижением эксперимента LHCb в 2015 году стало открытие тяжелых пентакварков – частиц, состоящих из четырёх кварков и одного антикварка, причем в их состав входит пара тяжелых кварков – . Изучался распад Λ_b⁰ бариона (частицы, состоящий из udb кварков) на протон (uud), K^--мезон ( ) и J/ψ-мезон ( ). В ходе первого сеанса работы LHCb было зарегистрировано около 26000 событий, соответствующих такому распаду. Ожидалось, что основной вклад в распад Λ_b⁰ →J/ψpK^- вносят процессы типа Λ_b⁰→J/ψΛ^*(→pK^-), протекающие с образованием промежуточных возбужденных Λ-резонансов. Вместе с тем, данные свидетельствовали о наличии ещё одного канала распада Λ_b⁰→K^-P_c⁺(→p J/ψ), когда на первой стадии вместе с K^- мезоном образуется новая тяжелая частица P_c⁺, которая вскоре распадается на протон и J/ψ мезон (см. рисунок 1).

Для прояснения вопроса, может ли интерференция между различными Λ резонансами, появляющимися в промежуточном состоянии, породить подобные структуры, был проведен многомерный пособытийный амплитудный анализ экспериментальных данных, который показал, что для удовлетворительного описания распада Λ_b⁰ в описание этого процесса необходимо включить два новых состояния с массами 4380 ± 8 ± 29 МэВ и 4449.8 ± 1.7 ± 2.5 МэВ. Это довольно широкие резонансы: 205 ± 18 ± 86 МэВ и 39 ± 5 ± 19 МэВ, соответственно. Нужно понимать, что проведенный анализ модельно-зависимый, то есть представленные значения сильно зависят от выбранной модели для промежуточных возбужденных Λ-резонансов. Вскоре физики провели модельно-независимый анализ экспериментальных данных и показали, что в независимости от параметров Λ наблюдаемый спектр не может быть объяснен без наличия пентакварковых состояний.

На проходившей в конце марта конференции Rencontres de Moriond были представлены предварительные результаты анализа всего массива экспериментальных данных, накопленного с 2011 по 2018 в ходе первых двух сеансов работы БАК. Причем в ходе второго сеанса данных набрали в 9 раз больше благодаря увеличившейся светимости (увеличению числа протон-протонных взаимодействий), увеличившейся вероятности рождения прелестных барионов (из-за повышения энергии взаимодействующих протонов), а также благодаря улучшенным алгоритмам отбора. Прежде всего, физики протестировали, как описывает данные амплитудная модель, сконструированная в 2015 году. Согласие оказалось разумным (см. рисунок 2), однако увеличившаяся статистика повысила чувствительность данных к более узким структурам.

Промежуточные резонансы проявляют себя как прямые линии на диаграмме Далитца – двумерном распределении квадратов масс пар частиц из трёхчастичного распада. На увеличившейся статистике хорошо видны две горизонтальные полосы (см. рисунок 3). Однако, увеличившаяся статистика позволила ближе посмотреть на структуру более тяжелого резонанса. Экспериментальное разрешение для массового спектра составляет примерно 2.5 МэВ и при ближайшем рассмотрении оказалось, что верхняя горизонтальная линия расщепляется на две.

Полный амплитудный анализ с учетом особенностей экспериментального разрешения в шестимерном пространстве параметров распада Λ_b⁰ – трудоемкая, а главное вычислительно очень сложная процедура. Именно поэтому в своей первой работе эксперимент LHCb ограничился лишь одномерным анализом (см. рисунок 4). Результаты одномерной аппроксимации приведены в Таблице 1.

Минимальный набор кварков, необходимый для описания этих состояний – . Открытые узкие резонансные структуры располагаются чуть ниже энергетических порогов образования частиц с открытым очарованием: Σ_c⁺анти-D⁰ and Σ_c⁺анти-D^*0 (то есть масса резонансов чуть-чуть ниже, чем сумма масс пар таких адронов). Такая близость к энергетическим порогам открывает возможность интерпретации узких резонансов как слабосвязанных мезон-барионных состояний (т.е. пентакварк похож на молекулу). С другой стороны, не отвергнута и возможность объяснения открытых резонансов как сильносвязанного –кластера (смотри иллюстрацию 5). Для прояснения внутренней структуры открытых пентакварков необходимы дальнейшие исследования, как экспериментальные, так и теоретические.

Подробнее об открытии можно узнать из слайдов презентации LHCb. В ближайшее время будет опубликована научная статья с детальным описанием проведенных исследований. Существенный вклад в данное открытие внесли сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ. Они разработали, создали, ввели в эксплуатацию и обслуживали во время всех экспериментальных сеансов мюонную систему LHCb, необходимую для регистрации частиц J/ψ на пары µ⁺µ^-. Так же следует отметить, что теоретическим объяснением внутренней структуры пентакварковых состояний занимаются сотрудники Отделения теоретической физики Института.