Представление художника о Tcc+, тетракварке, состоящем из двух очарованных кварков и антикварков вверх и вниз. Предоставлено: Даниэль Домингес/ЦЕРН.

В течение 20 века физики открыли множество элементарных частиц. Самым большим семейством этих частиц являются так называемые адроны, субатомные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях.

Это широкое семейство частиц содержит множество подмножеств частиц со схожими свойствами. В 1964 г. М. Гелл-Манн и Г. Цвейг представили известную теорию, известную как «кварковая модель», в которой четко очерчена внутренняя структура адронов.

Кварковая модель предполагает, что адроны состоят либо из трех кварков (барионов), либо из пар кварк-антикварк (мезонов). Хотя многие непокрытые адроны попадают в одну из этих двух категорий, модель также предполагает существование адронов с более сложной структурой, таких как пентакварки (т. е. четыре кварка и антикварк) и тетракварки (т. е. две пары кварк-антикварк).

Во многих исследованиях 1970-х годов выдвигались теории о возможных механизмах, лежащих в основе формирования этих сложных адронных структур. Все адроны, открытые до 2003 г., имели структуру, соответствующую одному из двух основных типов, описанных моделью кварков, однако некоторые частицы, наблюдаемые после этой даты, трудно объяснить с помощью этой модели.

Эксперимент LHCb представляет собой детектор на Большом адронном коллайдере ЦЕРН, в первую очередь предназначенный для выявления различий между материей и антиматерией путем изучения определенного типа частиц, известного как «кварк красоты». Коллаборация LHCb, большая группа исследователей, участвовавших в эксперименте, недавно наблюдала экзотический тетракварк с необычной структурой, содержащий два очарованных кварка.

"Открытие тяжелого очарованного кварка в 1974 году (наблюдение мезонов J/y в 1974 году, часто называемое "ноябрьской революцией") и еще более тяжелого красивого кварка в 1977 году привело к признанию того, что тетракварки, состоящие из двух тяжелых кварков и двух легких антикварки могут обладать интересными и необычными свойствами», — сказал Phys.org Ваня Беляев, один из исследователей, проводивших исследование. «Однако экспериментальные установки, подходящие для поиска и изучения таких «двойных тяжелых» объектов, появились только в 21 веке, с запуском Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе».

На коллайдере LHC физики могут изучать столкновения между протонами при очень высоких энергиях, которые способствуют образованию множества тяжелых и двойных тяжелых частиц. В 2011 и 2012 годах коллаборация LHCb проанализировала крошечную часть данных, собранных на LHC, и обнаружила, что вероятность одновременного образования двух пар очарованных и антиочаровательных кварков при этих высоких энергиях была далеко не низкой, что позволяет предположить, что коллайдер может позволить наблюдение за двойными тяжелыми объектами.

«Имея больше данных, в 2017 году коллаборация LHCb сообщила о наблюдении бариона с двойным очарованием X _cc ⁺⁺ , состоящего из двух очарованных кварков и легкого u-кварка», — пояснил Беляев. «Благодаря этому наблюдению стало ясно, что если тетракварки с двойным очарованием существуют, их наблюдение будет лишь вопросом времени».

После наблюдения на LHCb бариона с двойным очарованием X _cc ⁺⁺ М.Карлинер и Дж.Рознер смогли использовать его измеренные свойства, чтобы точно предсказать свойства, которыми должен обладать гипотетический тетракварк. Такой тетракварк будет состоять из двух очарованных кварков, u-антикварка и d-антикварка. Теоретическая частица была названа T _cc ⁺ .

«Предсказанные свойства тетракварка T_cc ⁺ подразумевают, что частица будет проявлять себя как узкий пик в распределении масс для пары очарованных мезонов D ^*+ и D⁰ , где D ^*+ и D⁰ — обычные очарованные мезоны, состоящие из (очаровательный кварк и анти-d-кварк) и (очаровательный кварк и анти-u-кварк)», — сказал Беляев. «Интересно отметить, что предсказанная масса тетракварка T_cc ⁺ очень близка к сумме масс D ^*+ и D⁰- мезонов, что также означает, что если масса будет всего на 1% ниже предсказанной значение, свойства T _cc⁺ будет сильно отличаться и не будет виден в масс-спектре D ^*+ и D ⁰ . Если масса будет всего на 5% больше, пик будет широким (или даже очень широким), и его будет очень трудно, почти невозможно наблюдать экспериментально».

По сути, работа М. Карлинера и Дж. Рознера точно указала условия, подходящие для наблюдения гипотетического тетракварка T cc + . Их прогнозы в конечном счете стали тем, что руководило недавней работой коллаборации LHCb.

Предоставлено: коллаборация LHCb, ЦЕРН.

В своем исследовании коллаборация тщательно изучила спектр масс пар мезонов D *+ и D0 , используя набор данных, содержащий все данные, накопленные на коллайдере LHC с 2011 по 2018 год. В своем предыдущем анализе, проведенном в 2012 году, исследователи использовал только 4% имеющихся сегодня данных для изучения области относительно больших масс пар D ^*+ и D⁰ .

В своем новом анализе они специально сосредоточились на области масс, которая ближе к сумме масс D ^*+ и D⁰- мезонов. В этой области они наблюдали более ста сигнальных T cc + тетракварков, образующих поразительно узкий пик, очень близкий к сумме масс D ^*+ и D ⁰ мезонов с подавляющей статистической значимостью.

«Статистическая значимость, которую мы наблюдали, настолько высока, что полностью исключает, что наблюдаемый сигнал является статистической флуктуацией», — пояснил Беляев. «Поскольку мезон D *+ состоит из очарованного кварка и анти-d-кварка, а мезон D0 состоит из очарованного кварка и анти-u-кварка, он фиксирует минимальное кварковое содержание наблюдаемого как два очарованных кварка, анти- d-кварк и анти- u- кварк ».

Затем коллаборация LHCb провела многочисленные тесты, чтобы подтвердить свои результаты. Все эти тесты подтвердили, что наблюдаемый ими сигнал был связан с тетракварком T _cc ⁺ . Наконец, они измерили массу тетракварка T_cc ⁺ и ширину его пика.

«По законам квантовой механики ширина пика связана с обратным временем жизни частицы, и мы обнаружили, что ширина соответствует очень большому времени жизни, одному из самых больших для частиц, распадающихся за счет сильных взаимодействий и самый длинный из всех обнаруженных до сих пор экзотических адронов», — сказал Беляев. «В каком-то смысле T _cc ⁺ — это Мафусаил экзотических адронов».

Исследователи недавно провели дополнительное исследование, опубликованное в Nature Communications, в котором дополнительно изучались свойства частицы T _cc ⁺ . В этой статье они показали, что картина распада согласуется с T _cc ⁺ → (D ^*+ → D ⁰ p + )D ⁰ . Они также проверили распределение масс пар D ⁰ D ⁰ и D + D ⁰ и обнаружили, что усиления в этих спектрах очень хорошо согласуются с распадами T _cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁰ p +)D ⁰ с отсутствующим p + мезоном и T _cc ⁺ →(D ^*+ →D ⁺ p ⁰ /g)D ⁰ с отсутствующим p ⁰ /g.

«Мы еще не измеряли квантовые числа T _cc ⁺ частиц напрямую, но мы предложили веские аргументы в поддержку того, что полный спин J и четность P наблюдаемой частицы, которые являются наиболее важными квантовыми числами, равны J P =1 + , что полностью соответствует ожиданиям», — сказал Беляев. «Чтобы исследовать другое важное квантовое число, изоспин, мы изучили масс-спектры для D ⁰ D ⁰ , D ⁺ D ⁰ , D ⁺ D ⁺ , D ⁺ D ^*+пары в поисках возможных вкладов от гипотетических партнеров по изоспину. Они не обнаружили никаких признаков того, что изоспин вновь наблюдаемого состояния T cc + равен 0, что согласуется с предсказаниями».

Тетракварк T_cc ⁺ , наблюдаемый коллаборацией LHCb, мог иметь как минимум две различные внутренние структуры. Например, она может иметь «молекулярную структуру», в которой два очарованных кварка разделены большим расстоянием, сравнимым с размером атомного ядра, «компактную структуру», где расстояние между двумя очарованными кварками значительно больше, меньше или их комбинация.

В своей недавней последующей статье команда использовала сложную модель, чтобы определить, какой может быть эта структура, и измерила фундаментальные свойства состояния T _cc ⁺ , включая длину рассеяния, эффективный диапазон и положение полюса, которые важны при попытке определяют внутреннюю структуру частицы. Значения, измеренные исследователями, совместимы с молекулярно-подобной структурой, но это еще предстоит подтвердить.

Наблюдение коллаборации LHCb тетракварка T _cc ⁺ является значительным вкладом в область физики высоких энергий и элементарных частиц. Фактически, это уже вызвало важные теоретические дискуссии о природе T _cc ⁺ , родственных молекулярно-подобных состояниях, таких как загадочный X (3872), и общей проблеме существования «компактных тетракварков».

В своих будущих исследованиях коллаборация планирует попытаться напрямую определить квантовые числа нового состояния, так как пока они получили только убедительные, но косвенные доказательства их существования.

«Очень важно понять механизм образования состояния T cc + при протон-протонном столкновении», — добавил Беляев. «В настоящее время у нас есть некоторые противоречащие интуиции наблюдения — некоторые распределения, такие как поперечный импульс и множественность треков, действительно озадачивают, и для разрешения требуется больше данных. Будет очень интересно сравнить образование частиц T _cc ⁺ и X _cc ⁺⁺ — здесь ожидается определенный уровень сходства, но также и сравнение свойств, в том числе производственных свойств, частицы T _cc ⁺⁺ и загадочной частицы X(3872)».

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org