Барионы – массивные кирпичики материи, из которой состоит наша Вселенная. Действительно, протоны и нейтроны (часто эти две частицы называют общим термином нуклон), формирующие ядра атомов химических элементов, являются представителями именно этой категории частиц. Они почти в 2000 раз тяжелее, чем электроны, также входящие в состав атомов. Само название «барион», предложенное в 1955 году А. Пайсом, происходит от греческого слова «тяжелый» (βαρυς, барис). Тогда все известные элементарные частицы имели меньшие массы, чем барионы.

Лаборатория барионной физики (ЛБФ) Отделения физики высоких энергий Института занимается исследованиями свойств этого семейства элементарных частиц. Чтобы лучше понять, какие научные проблемы решают сотрудники ЛБФ нужно описать место барионов систематике элементарных частиц. Теория, описывающая микромир, называется Стандартной моделью физики частиц (СМ). Эта теория описывает взаимодействие известных истинно элементарных частиц (см. рисунок), которые можно разделить на частицы материи (кварки и лептоны), частицы-переносчики взаимодействия (т.н. калибровочные бозоны) и стоящий несколько особняком бозон Хиггса.

Кварки характеризуются тем, что участвуют во всех трёх взаимодействиях, входящих в СМ. Из-за особенностей сильного взаимодействия кварки, антикварки (каждая из частиц СМ имеет античастицу) и глюоны (частицы-переносчики сильного взаимодействия) могут наблюдаться только в составе других составных элементарных частиц – адронов. Барионы как раз являются одним из двух типов адронов. Для них характерно то, что количество кварков, входящих в их состав, на три больше количества антикварков. Для мезонов – другого типа адронов характерно одинаковое количество кварков и антикварков, входящих в состав этих элементарных частиц.

Долгое время были известны лишь барионы, состоящие из трех кварков. При этом детальной точной (количественной) теории адронов пока не существует. Чтобы её построить необходимы новые более точные экспериментальные данные, уточнить характеристик уже известных физикам частиц. К таким свойствам относятся массы, времена жизни, квантовые числа, а также вероятности распадов по тому или иному каналу. Именно этим и занимаются сотрудники ЛБФ в эксперименте LHCb, приводящимся на Большом адроном коллайдере. В основном LHCb сфокусирован на исследованиях частиц, в состав которых входят кварки c (физики называют его очарованным или очаровательным) или b (прелестный). Это довольно тяжелые элементарные частицы. Так масса c-кварка немного больше массы протона (частицы, состоящей из легких кварков u и d), а b-кварк еще в четыре раза массивнее. Оказывается, свойства барионов в состав которых входят тяжелые кварки легче теоретически рассчитать. Поэтому такие барионы являются мостиком, ведущим физиков-теоретиков к построению точной теории адронов. Об этих экспериментальных исследованиях можно подробнее прочитать в заметках на сайте Института:

Существование второго типа барионов (пентакварков), состоящих из четырех кварков и одного антикварка впервые было экспериментально доказано сотрудничеством LHCb. Подробнее об этих исследованиях можно прочитать в заметках на сайте НИЦ КИ – ПИЯФ ( 1 , 2 ).

Приборным вкладом ПИЯФ в эксперимент LHCb является создание, ввод в эксплуатацию и эксплуатация, а также модернизация мюонной системы эксперимента.

Лаборатория занимается не только исследованием тяжелых барионов. В круг научных интересов сотрудников лаборатории входит и исследование свойств единственного стабильного бариона – протона. Свойства протона хорошо изучены экспериментально, но рассчитать его характеристики, исходя из свойств сильного взаимодействия теоретическая физика пока не умеет, но очень хочет научиться. В последнее время к этим трудностям добавилась так называемая загадка радиуса протона. В 2010 году группа физиков, исследовавшая мюонный водород, связанное состояние протона и мюона (тяжёлого аналога электрона), сообщила, что они получили существенно меньший радиус протона, чем следовало из экспериментов по рассеянию электронов на протонов и спектроскопии обычного водорода Такое большое расхождение нельзя объяснить статистическими погрешностями экспериментов, поэтому сейчас рассматриваются несколько сценариев решения этой загадки протонного радиуса. Во-первых, перепроверяются теоретические расчеты, ведь извлечение радиуса при помощи спектроскопии обычного и мюонного водорода опирается на них. Пока что господствует мнение, что систематическая погрешность расчетов не превышает одной десятой от наблюдаемого эффекта. Во-вторых, можно и нужно улучшить точность определения радиуса протона при помощи рассеяния. Также остается заманчивая возможность объяснить наблюдаемое расхождение проявлением новых еще неизвестных фундаментальных взаимодействий, которые нарушают универсальность взаимодействий между протоном и лептонами (электроном и мюоном). Однако в настоящий момент такие объяснения — всего лишь гипотезы, нуждающиеся в проверке экспериментом.

Сейчас сотрудники ОФВЭ (в том числе ЛБФ) совместно с Университетом города Майнц(Германия) ведут разработку нового эксперимента по измерению упругого рассеяния электронов на протоне. Необходима рекордная точность результатов. Козырем нового эксперимента является метод активной мишени, когда объем водорода, находящийся под давлением 20 атмосфер, служит одновременно мишенью и детектором рассеянных протонов.