Первые частицы 2020 года!

Понедельник, 13 января 2020

В самом начале этого года эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил об открытии двух новых прелестных барионов. Скорее всего адроны, открытые LHCb, принадлежат семейству возбужденных состояний Ωb бариона. Физики также видят указания еще на две новые частицы данного типа. Это первое наблюдение возбужденных состояний Ωb.

Столкновение протонов на БАК – уникальный источник новых частиц. Дело в том, что в таких соударениях довольно интенсивно рождаются тяжелые кварки – c (очарованные) и b (прелестные) и становится доступным изучение семейств составных субатомных частиц, в которые эти кварки входят. В рамках этой заметки мы будем называть семейством все частицы, имеющие одинаковые кварковый состав, но разные квантовые числа, т. е. разное внутреннее устройство. В семействах элементарных частиц существуют долгоживущие основные состояния, характеризующиеся минимальной энергий, а также спектром возбужденных состояний. Основные состояния распадаются под действием слабого взаимодействия, а возбужденные - под действием сильного или электромагнитного взаимодействий. До 2020 года для прелестных Ωb барионов (кварковый состав – ssb) было известно лишь основное состояние.

3 января 2020 года эксперимент LHCb объявил об обнаружении возбужденных состояний Ωb. Открытие сделано по распадам таких резонансов на прелестный барион Ξb0 (usb состояние) и K- мезон (s–анти-u). Каон напрямую регистрировался экспериментальной установкой LHCb, а Ξb0 реконструировался по цепочке распадов: Ξb→ Ξc+π (регистрировался пион) и Ξc+pKπ+ (регистрировались все дочерние частицы). Сигналы от распадов Ξb0 и Ξc+ приведены на рисунке 1. То, что соотношение сигнал-фон заметно лучше для частицы Ξb0 не удивительно, так как соответствующий массовый спектр получен при помощи метода “решающих деревьев” (boosting decision tree, BDT), учитывающего всю топологию цепочки распадов, а pKπ+ спектр, в котором виден сигнал от распада Ξc+, лишь последовательным применением нескольких критериев отбора. Всего было отобрано порядка 18000 событий-кандидатов распадов Ξb→ Ξc+π.

Среди отобранных событий искались те, в которых из точки столкновения протонов, где произошло рождение Ξb0 бариона, вылетали дополнительные каоны. Для таких событий строилась специальная переменная – разность масс: δM = M(Ξb0K) – M(Ξb0). Если при взаимодействии протонов родилось возбужденное состояние Ωb, которое затем распалось по Ξb0K-каналу, то в спектре δM должен наблюдаться пик. Ширина такого пика зависит от двух параметров: времени жизни возбужденного состояния и массового разрешения LHCb. Последнее в диапазоне δM < 700 МэВ составляет примерно 800 кэВ.

Так как искались вполне стандартные (проходящие под действием сильного взаимодействия) распады стандартных (трехкварковых) барионов, заряды детектируемых частиц должны быть однозначно связаны. То есть, если распалось возбужденное состояние Ωb бариона, то каон будет иметь отрицательный заряд, а пион из распада Ξb→ Ξc+π – положительный, и наоборот, если распадается анти-Ωb+. Такую комбинацию электрических зарядов называют «правильной». Только для таких событий возможно проявление возбужденных состояний Ωb барионов. Комбинацию пионов и каонов одинакового заряда называют «неправильной». Она, как и «правильная» комбинация, может наблюдаться, если Ξb и каон появились из разных подпроцессов, протекавших при взаимодействии протонов БАК. Для «неправильной» комбинации LHCb зафиксировал лишь фон от таких случайных совпадений (см. рисунок 2).

Для «правильных» комбинаций помимо комбинаторного фона в спектре δM видные узкие пики. Наличие двух из них, соответствующих новым частицам Ωb(6340) и Ωb(6350), не вызывает сомнений. Глобальная статистическая значимость для обеих обнаруженных структур превышает шесть стандартных отклонений. Пики, которым физики ставят в соответствие барионы Ωb(6316) и Ωb(6330) не столь явно выражены. Сейчас можно говорить лишь о слабом указании на эти состояния. Вероятность, что каждый из этих двух пиков является лишь результатом статистических флуктуаций фоновых событий, составляет несколько процентов.

LHCb проанализировал все данные, набранные в ходе первого и второго этапа работы БАК (2011-2018 годы). Экспериментаторы определили массы, а также верхние пределы для ширин новых состояний. Эти результаты приведены в таблице 1. То, что ширины не превосходят двух-трех МэВ, говорит о том, что возбужденные барионы живут довольно долго по меркам процессов, проходящих под влиянием сильного взаимодействия. Также следует заметить, что интерпретация пиков в спектре δM как регистрация новых барионных состояний с массами, соответствующими положению наблюдаемых пиков, не является единственной из теоретически возможных. Существуют варианты, при которых наблюдаемые структуры интерпретируются как частично восстановленные распады более тяжелых возбужденных состояний. Для окончательного прояснения природы структур, открытых физиками LHCb, нужны новые измерения с большой статистикой.

В заключение следует отметить, что сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» (в том числе из ПИЯФ) принимают активное участие в работе эксперимента LHCb и являются соавторами статьи, направленной для публикации в научный журнал Physical Review Letters.

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