Хотя главная задача Большого адронного коллайдера (БАК) ― поиск Новой физики, то есть, поиск явлений, выходящих за рамки современных теоретических представлений, существует отдельная большая программа по изучению сильно-взаимодействующих частиц (адронов), о существовании которых физики либо знают, либо подозревают. Физики хотят точнее понять, как устроено сильное взаимодействие, а самое главное, улучшить качество расчетов в этой области. Недавно эксперимент LHCb опубликовал несколько научных работ, посвященных изучению очарованных барионов ― частиц по своему устройству похожих на протоны, но в состав которых входит один или несколько очарованных кварков. Об этих открытиях и пойдет речь. 

О том, как устроены нуклоны (протоны и нейтроны), субатомные частицы, из которых состоят ядра атомов, физикам в целом известно. Их составными частями являются легкие кварки u и d ― элементарные частицы с дробным электрическим зарядом (qu = +2/3, qd = –1/3). Тройки кварков объединяются за счет сильного взаимодействия в протоны (uud) и нейтроны (udd). Физики-экспериментаторы очень хорошо изучили процессы, которые происходят при соударении нуклонов друг с другом или с другими элементарными частицами, а физики-теоретики уже научились рассчитывать такие процессы в разных диапазонах энергии столкновений, но пока еще не умеют из первых принципов вывести свойства нуклонов. Не умеют, но очень хотят научиться.
Учиться легче всего на простых случаях, и сама  природа помогла нам созданием еще по паре более тяжелых копий этих кварков - c и t являются аналогами u кварка, а s и b –это аналоги d кварка. Топ-кварк (tангл. top) очень тяжелый и очень быстро распадается, не успевая образовывать связанные состояния, а вот странный (s, англ. strange), очарованный (c, charm) и прелестный (b, beauty) кварки могут. При этом, чем массивнее кварки, тем проще становится теоретический расчет свойств частиц, образованных этими кварками. Поэтому, систематизировав знания о свойствах барионов (тяжелых аналогов нуклонов), можно будет в будущем добиться прорыва в расчете свойств протонов. Изучением таких частиц на БАК занимается эксперимент LHCb. Эксперимент LHCb,
в основном, изучает частицы, в состав которых входят тяжелые c и b кварки. LHCb отличается от других экспериментов БАК тем, что исследует частицы, вылетающие близко к направлению оси пучков сталкивающихся протонов (от 0,6 до 14,3 градусов). Выбор такого углового диапазона связан с механизмом рождения тяжелых кварков; кварки образуются в соударениях составных частей протона: кварков и частиц-переносчиков сильного взаимодействия, получивших название - глюоны (англ. glue – клей) и оказывается, что большая часть родившихся пар кварк–антикварк летит вперед. Поэтому на сегодняшний день LHCb обладает наибольшим набором экспериментальных данных о c и адронах. 

Адрон ― частица, состоящая из кварков, и участвующая в сильных взаимодействиях (например, протоны относятся к классу адронов). Эти частицы почти мгновенно образуются из родившихся кварков, а вот распадаются они по-разному. Если имеется достаточное количество энергии для тех или иных вариантов (каналов) распада частиц, то это означает, что энергетически доступны каналы распадов. В нашем варианте для процессов,  происходящих за счет сильного взаимодействия,  адроны распадаются за время порядка 10–24 секунды, а вот если таких каналов нет, то распады могут идти через превращения кварка одного сорта в другой (физики говорят, что кварки меняют свой аромат). Процессы с изменением аромата кварков идут гораздо медленнее; характерные времена порядка 10–12 ― 10–14 секунды. Частицы, рожденные в протон-протонных соударениях на БАК и распадающиеся с изменением аромата (под действием слабых сил), столь быстры, что успевают отлететь на некоторое расстояние от точки своего рождения. На этом и основан принцип их поиска. 

Схема распада Ξc+-бариона

 

Выделяют частицы так. Сначала на основе информации с детекторных систем эксперимента находят и вычисляют траектории заряженных частиц. Особенность LHCb является в том, что его вершинный полупроводниковый детектор позволяет точно вычислять траектории вблизи точки соударения протонов (реконструировать их треки). Само место, где столкнулись частицы, характеризуется большим количеством пересекающихся треков, однако, если недалеко, на расстояниях порядка десятых долей миллиметра, найдена точка пересечения двух или более треков, то это экспериментальное событие -  хороший кандидат на события, в которых родились тяжелые кварки. Более того, так как b кварк предпочитает распадаться с испусканием c кварка, то образуются цепочки таких распадов, вершины которых находятся на некотором отдалении друг от друга. Такие же цепочки образуются при распаде дважды-очарованных частиц, содержащих два c кварка, которые распадаются по очереди. Важно отметить, что по трекам дочерних частиц можно определить, какая конкретно частица распалась и какой энергией она обладала, а зная это и точки её рождения и распада, можно вычислить, сколько времени она прожила. Элементарные частицы распадаются по закону радиоактивного распада, поэтому имеет смысл говорить о среднем времени жизни, параметре, определяемом по свойству совокупности распадов частиц.

Огромная экспериментальная статистика и возможность точного измерения времени жизни очарованных и прелестных частиц являются преимуществами адронных соударений высоких энергий, однако у всего есть своя цена. Платой за эти преимущества является огромный фон ― большое количество треков от других родившихся частиц, поэтому поиск событий с рождением тяжелых кварков ― нетривиальная задача. Однако существуют процессы, которые могут быть исследованы только на детекторах, подобных LHCb, например, рождение дважды-очарованных барионов.

То, что дважды-очарованные барионы существуют, не вызывало сомнений. Физики-теоретики довольно точно предсказывали, что они должны быть примерно в 3.7 – 3.9 раза тяжелее протона и иметь время жизни в диапазоне 200 – 1100 фемтосекунд (1 фс ― одна квадриллионная часть секунды), но рождается таких частиц мало. В прошлом году LHCb удалось зафиксировать один из каналов распада такой частицы, называемой Ξcc++ (греч. Кси) (её кварковый состав ― ccu). Изучался каскад распадов Ξcc++: на первом этапе один из с-кварков переходил в s кварк, в результате чего образовывался Λc+-барион и три легких мезона: Kπ+ и π+; на втором этапе распадался второй с-кварк, в результате чего уже частица Λc+ распадалась на протон и пару мезонов K и π+. Восстановив эту цепочку распадов, физики измерили массу Ξcc++, которая оказалось равной 3621,4 MeV/c2.

 

 

 

Распределение по спектру массы событий-кандидатов; пик соответствует сигналу от зарегистрированного распада Ξcc++бариона.

 

 

 

Чтобы измерить время жизни открытой частицы, нужно было откалибровать временную шкалу. Это делалось при помощи контрольного канала распада частицы Λb0 (её время жизни хорошо измерено) на Λc+-барион и три легких мезона: два π и один π+. Такой распад топологически похож на исследуемый распад Ξcc++. Этот подход позволяет заметно снизить систематические погрешности измерения.

Для частиц, содержащих в своем составе тяжелые кварки, характерно одновременное существование многих каналов распада, регистрация которых должна подтвердить сделанное ранее открытие. И вот летом 2018 года, еще один каскадный канал распада этой частицы был найден ― Ξcc++ распадается на π+-мезон и Ξc+-барион, который в свою очередь распадается на протон, K и π+. Сигнал проявляет себя как пик в распределении событий кандидатов в спектре массы дочерних частиц. Положение пика соответствует массе Ξcc++-бариона ― 3620.6 ± 1.5стат ± 0.5сист MeV/c2, что находится в прекрасном 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 5,9 стандартных отклонения. Это позволяет говорить о том, что существование дважды-очарованной частицы надежно установлено. Сейчас физики ищут частицы с другим кварковым составом: Ξcc+ (ccd) и Ωcc+ (ccs). Их открытие в ближайшее время весьма вероятно. 

Уже сейчас можно сказать, что отрыта новая страница в физике элементарных частиц, и она далеко не последняя. В будущем будет возможно найти прелестно-очарованные барионы или даже дважды-прелестные. Нужно только хорошенько поискать.


Алексей Дзюба

старший научный сотрудник Отделения физики высоких энергий НИЦ КИ ПИЯФ 

(все изображения взяты с сайта LHCb)