Пресс-центр

LHCb опубликовал новые данные о барионах с двойным очарованием

В 2017 году была открыта и сейчас активно исследуется частица Ξ_сс⁺⁺, в состав которой входят сразу два очарованных кварка. В октябре-ноябре 2019 года эксперимент LHCb, проходящий на Большом адронном коллайдере (БАК), представил новые данные об этой частице. Измерены сечения (вероятность) её рождения, а также значительно улучшена точность определения её массы. Попутно физики узнали о существовании двух новых каналов распада Ξ_сс⁺⁺.

Барион с двойным очарованием и двойным электрическим зарядом был открыт LHCb в 2017 году. Физики обнаружили пик, соответствующий Ξ_cc⁺⁺ в спектре масс системы, состоящей из Λ_c⁺-бариона, K⁻ и пары π⁺-мезонов. Обнаруженный барион имеет кварковый состав ccu. В прошлом году удалось найти еще один распад – Ξ_cc⁺⁺→Ξ_c⁺π⁺, а также измерить время жизни частицы с двойным очарованием. Результаты этого года были в каком-то смысле «негативными». LHCb не удалось обнаружить распады Ξ_cc⁺⁺ с передачей барионного числа протону, также не увенчались успехом поиски ее изотопического партнера – Ξ_cc⁺. Осенью 2019 года вышло сразу две новые экспериментальные работы, посвященные дважды-очарованной частице.

В первой работе учёным удалось измерить относительную вероятность рождения Ξ_cc⁺⁺. В физике частиц вероятность какой-либо реакции называют сечением и измеряют эту величину в единицах площади. Сечение зависит от механизма (динамики) рождения бариона. В основном, теоретические модели рождения Ξ_cc⁺⁺ в протон-протонных взаимодействиях рассматривают этот процесс следующим образом: сначала происходит два независимых процесса взаимодействия партонов (составных частей протона); в этих взаимодействиях рождаются два c-кварка, которые затем уже в процессе адронизации образуют барион с двойным очарованием. При этом разброс в теоретических предсказаниях сечений этого процесса для энергии взаимодействия 13 ТэВ составляет от 60 до 1800 нанобарн (1 барн = 10^–24 см²). Очевидно, что для дальнейшего развития теории необходимы новые экспериментальные сведения о рождении Ξ_cc⁺⁺.

В своей новой работе LHCb измерил величину R = σ(Ξ_cc⁺⁺)×BR(Ξ_cc⁺⁺→Λ_c⁺K⁻π⁺π⁺) /σ(Λ_c⁺), где σ – сечение рождения очарованных барионов, а BR – вероятность распада по тому или иному каналу. Так как для Λ_c⁺-барионов из распада Ξ_cc⁺⁺ и Λ_c⁺, появившихся непосредственно во взаимодействии протонов высоких энергий использовалась одна и та же мода распада (Λ_c⁺→pK⁻π⁺), то неопределенность, связанная с ней, сокращалась для R. Особую трудность при измерениях такого рода представляет определение эффективности онлайн-отбора полезных событий (триггера). Для исследования этого вопроса события-кандидаты были разделены на две категории: те, где положительное решение принималось по объектам (восстановленным трекам и кластерам в калориметре детектора), приписанным к Λ_c⁺-бариону и тем, где решение принималось по остаткам события-кандидата. Оба подхода дают согласующиеся между собой результаты.

Также, при измерении σ(Λ_c⁺), очень важно выделить вклад только тех барионов, которые образовались непосредственно во взаимодействии протонов (прямое рождение), то есть избавиться от компоненты, связанной с распадами b-адронов (вторичные частицы). Чтобы получить долю «правильных» Λ_c⁺, физики анализировали распределения по прицельному параметру восстановленной частицы. Прямые (первичные, мгновенные) Λ_c⁺ вылетают преимущественно из точки взаимодействия протонов, в то время как вторичные будто пролетали мимо неё, что даст большие значения прицельного параметра (LHCb использовал десятичный логарифм этой величины, см. рисунок 1).

Измерения сильно зависят от времени жизни дважды-очарованной частицы, которое известно с некоторой погрешностью. В качестве основного результата экспериментаторы приводят значение, соответствующее лучшей точечной оценке этой величины (256 фс). Измеренное значение R составило (2.22 ± 0.27 ± 0.29)×10^–4. Теперь дело за теоретиками, которые могут получить величину R для условий LHCb в своих расчетах, чтобы сравнить свои предсказания с экспериментальными измерениями.

Второй интересной работой LHCb стало прецизионное измерение массы Ξ_cc⁺⁺. Использовалось оба известных канала распада: Ξ_cc⁺⁺→Λ_c⁺K⁻π⁺π ⁺ и Ξ_cc⁺⁺→Ξ_c⁺π⁺. Впервые для измерений Ξ_cc⁺⁺ использовалась вся статистика, набранная в ходе второго этапа работы БАК. Физикам удалось выделить почти 1600 событий-кандидатов для первого распада и более 600 для второго (см. рисунок 2). Масса Ξ_cc⁺⁺ определялась по положению соответствующих пиков на массовом спектре. В результате измерения была получена величина 3621.55 ± 0.23 ± 0.30 МэВ/c². Таким образом, относительная погрешность измерения составляет приблизительно одну десятитысячную!

Помимо пика от распада Ξ_cc⁺⁺→Ξ_c⁺π⁺, в спектре массы системы Ξ_c⁺π⁺ наблюдаются структуры, которые специалисты LHCb интерпретировали как частично восстановленные распады Ξ_cc⁺⁺→Ξ_c^+’π⁺ и Ξ_cc⁺⁺→Ξ_c⁺ρ⁺ (см. рисунок 2). Когда удается зарегистрировать не все, а лишь часть частиц конечного состояния, в соответствующем массовом спектре возникают нерегулярности, которые, однако, многое говорят экспериментаторам. Теперь им будет легче искать эти распады.

В заключении следует отметить, что сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» (в том числе, из НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ) принимают активное участие в работе эксперимента LHCb. Сотрудники Отделения физики высоких энергий Института работают в составе группы анализа данных LHCb, занимающейся рождением и распадами очарованных адронов. Часть теоретических предсказаний выполнена нашими коллегами из НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ.