Новые результаты LHCb представлены на конференции ICHEP-2018

Вторник, 10 июля 2018

Международный конгресс по физике высоких энергий International Conferenceon High Energy Physics (ICHEP) —  главная конференция в области физики элементарных частиц, проводящаяся раз в два года. В этом году ICHEP-2018, начавшаяся  3 июля 2018, проводится в Сеуле (Южная Корея). Традиционно, большие эксперименты стремятся объявить на ней о своих новых результатах. Так, эксперимент LHCb (эксперимент на Большом адроном коллайдере, проводимый для исследования асимметрии материи и антиматерии во взаимодействиях b-кварков) представил новые открытия: подтверждено существование дважды-очаровательной дважды-заряженной частицы Ξcc++-бариона, а среднее время жизни Ωc+-бариона оказалось почти в четыре раза больше результатов предыдущих измерений.

Еще в июле 2017 года эксперимент LHCb заявил об обнаружении новой частицы с массой 3621,4 МэВ/c2, рождающейся в протон-протонных столкновениях высоких энергий, а в мае 2018 измерил время её жизни. Физики изучали распад этой частицы (называемой Ξcc++) на Λc+-барион и три легких мезона: K, π+ и π+. Для частиц, содержащих в своем составе тяжелые кварки (c или b), характерно одновременное существование многих каналов распада, регистрация которых должна подтвердить сделанное ранее открытие. И вот найден еще один канал распада ― Ξcc++ распадается на π+-мезон и Ξc+-барион, который, в свою очередь, распадается на протон, K- и π+-мезоны (именно эти три частицы регистрирует LHCb).

Диаграмма распада и зарегистрированный сигнал, проявляющийся как пик в распределении событий кандидатов в спектре массы дочерних частиц, представлены на Рис.1. Положение пика соответствует массе Ξcc++-бариона ― 3620.6 ± 1.5 ± 0.4 ± 0.3 МэВ/c2, что находится в согласии с предыдущими измерениями в Λc+Kπ+π+-канале. Статистическая значимость повторного открытия (степень отличия экспериментального спектра от гипотезы, что вклад дают только фоновые процессы) составляет 5,9σ. Это позволяет говорить о «повторном» открытии (re-discovery) этой дважды-очарованной частицы.

Элементарные частицы распадаются по закону радиоактивного распада, поэтому имеет смысл говорить о среднем времени жизни. Очарованные барионы имеют достаточно большое среднее время жизни и распадаются, отлетев на некоторое расстояние от точки столкновения двух протонов, в которой они родились. Это является следствием того, что распад c-кварка идет под действием слабого взаимодействия. Месяц назад мы сообщали об измерении времени жизни Ξcc++-бариона, а на ICHEP-2018 LHCb представил новые измерения времени жизни Ωc0-бариона ― частицы состоящей, из одного очарованного и двух странных кварков. Удивительно, но новое измерение не совпадает с предыдущими результатами, а примерно в четыре раза превосходит их.

Предыдущие эксперименты были выполнены 15-20 лет назад E687 и FOCUS в Национальной лаборатории им. Энрико Ферми (США) и WA89 в ЦЕРНе. В них небольшое количество Ωc0-барионов рождалось при взаимодействии протонного пучка и неподвижной ядерной мишени. В новых измерениях LHCb накопил порядка 1000 Ωc0pKKπ+ распадов Ωc0-барионов, появившихся в результате полулептонных распадов прелестных Ωb-барионов (состоящих из bss кварков), которые, в свою очередь, рождаются в протон-протонных соударениях. Столь длинная цепочка позволяет точно измерить точку распада и рождения Ωc0-барионов (её определяют по пересечению треков реконструированной частицы и зарегистрированного мюона). Из кинематических характеристик дочерних частиц можно вычислить импульс, а и значит скорость Ωc0, построить распределение событий кандидатов по времени жизни и сравнить его форму с расчетами, в которые среднее время жизни входит как неизвестный параметр. Преимуществом такого метода является то, что временная шкала точно калибруется, для этого используют другие очарованные частицы, возникшие в полулептонных распадах b-адронов. Новый результат обескураживает: полученное среднее время жизни 268 ± 24 ± 10 ± 2 фс (1 фс – одна квадриллионная часть секунды) оказалось слишком велико по сравнению с предыдущими исследованиями (см. Рис. 2.).

Такое большое расхождение результатов различных экспериментов довольно редкое явление в физике частиц. Конечно, будут независимые экспериментальные проверки, но, без сомнения, это измерение всколыхнет интерес к физике очарованных барионов, и, возможно, заставит пересмотреть некоторые теоретические модели и расчеты.

Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в исследованиях LHCb, посвященных рождению очарованных частиц и изучению их свойств. Также, сотрудники Института внесли большой вклад в разработку и эксплуатацию мюонной системы эксперимента LHCb, без которой регистрация полулептонных распадов была бы невозможна.

Подробнее об открытии нового канала распада Ξcc++Ξc+π+ и об измерении времени жизни Ωc0  можно узнать из препринтов статей LHCb.

Рис.1. Слева: фейнмановская диаграмма, описывающая процесс распада Ξcc++Ξc+π+. Справа: распределение по спектру массы событий-кандидатов; пик соответствует сигналу от зарегистрированного распада Ξcc++-бариона.

Рис.2. Слева: распределение по времени жизни Ωc0-барионов; синяя кривая соответствует распределению, ожидавшемуся в предположении о том, что среднее время жизни Ωc0 69 фс; красная гистограмма с зелеными погрешностями - наилучшее описание данных (черные крестики), соответствующее времени жизни 268 фс. Справа: сравнение результатов различных экспериментов.

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