Физики продолжают исследовать очарованные барионы

Вторник, 02 июля 2019

Эксперимент LHCb, проводящийся на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил новую работу, посвященную измерению времен жизни очарованных барионов. Точность определения этого параметра улучшена в несколько раз по сравнению с мировыми данными. Исследования свойств очарованных частиц ведется не только на БАК: недавно эксперимент Belle опубликовал измерения абсолютных вероятностей распада Ξс+ бариона.

Очарованными называют частицы, в состав которых входит c-кварк (charm quark, англ. - очарованный). Он довольно тяжелый и по своей массе немного превосходит ядро атома водорода – протон. Сам протон является составной частицей, при этом сумма масс валентных кварков, входящих в его состав, составляет чуть больше процента от его полной массы, а остальной вклад обеспечивается энергией сильного взаимодействия, ответственного за формирование этой частицы. Теоретический расчет свойств протона – сложная задача. Для того, чтобы приблизиться к ее решению, удобнее рассматривать те барионы (так называют все трехкварковые частицы), в которых один (или несколько) валентных кварков тяжелые.

Очарованные барионы открыты довольно давно, но изучение их свойств все еще актуальная задача. Массы этих частиц известны хорошо, а вот информация об их распадах еще нуждается в улучшении. Одним из таких не до конца изученных свойств являются средние времена жизни (характеристика, однозначно связанная с периодом полураспада) этих нестабильных частиц. Барионы Λc+, Ξc+, Ξc0 и Ωc0 живут довольно долго, так как их распад обусловлен слабым взаимодействием. За превращение всех четырех очарованных частиц отвечают процессы типа с→qW, где q = s, d. Частицы-переносчики слабого взаимодействия (в частности W-бозоны) обладают большой массой и поэтому распад возможен лишь за счет соотношения неопределенностей (ΔEΔt ≈ ħ). Казалось бы, если элементарные переходы одинаковы, то и вероятности распадов разных барионов должны совпадать. Но это не так! На процесс влияют кварки, окружающие очарованный кварк, и именно это влияние интересно изучить.

Для того, чтобы сконструировать теорию всегда нужны хорошие экспериментальные данные. В новой работе эксперимент LHCb представил измерения времен жизни очарованных барионов: Λc+, Ξc+ и Ξc0. Для того чтобы провести измерения, нужно установить точку, в которой родилась очарованная частица, точку её распада, а также её импульс. Две последние характеристики измеряются при помощи выделения частиц, на которые распался барион (см. рисунок 1). Объединив треки дочерних частиц, можно восстановить траекторию, по которой двигалась очарованная частица. Чтобы установить точку рождения, экспериментаторы выделяли такие барионы, которые образовались в ходе распада еще более тяжелых, так называемых прелестных частиц (содержат тяжелый b кварк, beauty quark, англ. прелестный). В нескольких процентах случаев b-адроны распадаются с испусканием мюонов. Если выделить мюоны, то по пересечению их траекторий с траекториями очарованных барионов можно понять, где родились очарованные частицы. Дальше расчет времени жизни проводится по формулам специальной теории относительности. Так как барионы распадаются по закону радиоактивного распада, каждый отдельный распад абсолютно случаен, но распределение по времени жизни должно подчиняться экспоненциальному закону. Полный анализ включает исследование зависимости эффективности регистрации как функции времен жизни частиц, вычисление систематических погрешностей. Спектры времен жизни, включающие эффективность детектора, представлены на рисунке 2.

Как и в случае с определением времени жизни Ωc0, анализ LHCb преподнес сюрприз – время жизни нейтрального бариона Ξc0 оказалось более чем на три стандартных отклонения больше, чем результаты предыдущих измерений, выполненных на меньшей статистике. Результаты измерения представлены на рисунке 3. Теперь дело за теорией!

БАК – прекрасная фабрика по производству очарованных частиц. Достаточно сказать, что очарованные адроны зачастую являются фоном для более редких процессов, которые исследуются на этом ускорителе. Однако у БАК есть и свои недостатки: сложно точно установить, сколько всего родилось очарованных частиц за время экспериментального сеанса (т.е. абсолютные измерения затруднены); велики фоновые процессы; сложно измерять распады с электрически нейтральными частицами в конечном состоянии. Тут на помощь адронному коллайдеру приходят эксперименты на электрон-позитронных пучках. В e+e взаимодействиях статистика хоть и в разы меньше, но удается точно посчитать сколько всего родилось очарованных барионов определённого типа. Зная их количество, возможно установить абсолютную вероятность распада по тому или иному каналу. В апреле 2019 года международный эксперимент Belle, проходящий в Японии, объявил о первых измерениях такого рода для распадов Ξс+ частиц. Данные пока не очень точны, но первый шаг сделан.

Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента LHCb на БАК. В составе рабочей группы по изучению очарованных частиц они участвовали в подготовке публикации, посвященной измерению времен жизни очарованных барионов. Также сотрудники Института внесли большой вклад в разработку и эксплуатацию мюонной системы эксперимента LHCb, без которой регистрация полулептонных распадов была бы невозможна.

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