Открытие детектора LHCb в 2018 году.
Фото: CERN, LHCb Collaboration.

Наблюдение за неуловимыми, экзотическими частицами является ключевой целью бесчисленных исследований, поскольку оно может открыть новые возможности для исследований, а также улучшить нынешние знания о материи, содержащейся во Вселенной, и лежащей в ее основе физике. Модель кварков, теоретическая модель, представленная в 1964 году, предсказала существование элементарных субатомных частиц, известных как кварки, в их различных конфигурациях.

Предполагается, что кварки и антикварки (эквивалент кварков из антивещества) являются составляющими различных субатомных частиц. К ним относятся «обычные» частицы, такие как мезоны и барионы, а также более сложные частицы, состоящие из четырех или пяти кварков (т. е. тетракварков и пентакварков соответственно).

Эксперимент Большого адронного коллайдера (LHCb) — исследовательская работа, в которой участвует большая группа исследователей из разных институтов по всему миру. Он пытается наблюдать некоторые из этих удивительных частиц уже более десяти лет, используя данные, собранные на коллайдере частиц LHC ЦЕРН в Швейцарии. В недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, они сообщили о самом первом наблюдении двухзарядного тетракварка и его нейтрального партнера.

«За последнее десятилетие эксперимент LHCb проделал новаторскую работу по открытию так называемых экзотических частиц », — рассказала Phys.org Ясмин Сара Амхис, физический координатор эксперимента LHCb, — «LHCb открыл первый пентакварк в 2015 году. и это открыло дорогу ко многим другим открытиям. Основная цель исследований LHCb экзотических частиц — выяснить, какие тетракварки и пентакварки существуют, и составить карту их свойств, особенно обнаружение других частиц, на которые они распадаются, и их квантовых чисел».

В настоящее время существует несколько различных феноменологических моделей, описывающих тетракварки и пентакварки, в частности предсказывающих, как кварки формируют эти частицы. Наблюдая за этими частицами и измеряя их свойства, коллаборация LHCb могла бы помочь определить, какие из этих моделей верны, а также выявить расхождения или неточности.

В рамках своего недавнего исследования ученые проанализировали данные, собранные во время первых двух экспериментальных запусков БАКа. Они охватывали период двух лет, с 2011 по 2018 год.

«Анализ, который привел к этому открытию, очень сложен и, справедливо можно сказать, является примером одного из самых «сложных» исследований, проведенных в рамках нашего сотрудничества», — пояснил Амхис. «Происходящее название эксперимента LHCb связано с исторической основной темой исследований, которые были сосредоточены на b-кварках и их продуктах. Пара тетракварков, о которых сообщается в этой статье, наблюдалась благодаря методу, называемому амплитудным анализом. Этот подход говорит о квантовом поведении частиц и их способности интерферировать друг с другом».

Комплексный анализ, проведенный коллаборацией LHCb, можно охарактеризовать как комбинированный анализ, сосредоточенный на симметриях. Симметрии имеют решающее значение в физике элементарных частиц и играют важную роль в так называемой Стандартной модели, основной теории частиц и сил, управляющих ими.

«Симметрии также сильны, потому что они позволяют выявить сходства и отношения между частицами», — сказал Амхис. «Изоспин, симметрия, связывающая две частицы, перечисленные в этой статье, говорит о том, что их масса и ширина одинаковы. Это позволяет комбинированному анализу быть более чувствительным к свойствам этих частиц, чем мог бы одиночный анализ каждого партнера по изоспину. Был."

На сегодняшний день коллаборация LHCb опубликовала более 600 статей, в которых впервые наблюдалось несколько частиц и физических явлений. Большинство их исследований подтвердили устойчивость и надежность Стандартной модели физики элементарных частиц, однако некоторые из них также привели к новым интересным открытиям.

«Работы, подобные этой, показывают, что открытия, в том числе некоторые неожиданные, остаются возможными», — сказал Амхис. «На БАКе было обнаружено более 70 новых адронных частиц, подавляющее большинство из них – на LHCb. По мере того как мы узнаем больше о том, какие адроны существуют и их свойствах, мы получаем новое понимание сильного взаимодействия, одного из четырех фундаментальных взаимодействий в мире, что связывает кварки в адроны. Это понимание, в свою очередь, открывает новые двери в поисках физики за пределами Стандартной модели, уменьшая теоретическую неопределенность, связанную с такими поисками, которые вызваны несовершенным пониманием сильного взаимодействия».

Недавняя работа LHCb вскоре может стать основой для дальнейших теоретических и экспериментальных исследований по физике тетракварков. Тем временем начался третий запуск БАКа по сбору данных, и в результате сотрудничества было значительно модернизировано его оборудование.

В ходе третьего запуска LHCb планирует собирать в пять раз больше данных в год по сравнению с предыдущими экспериментальными запусками. Они надеются, что эти новые данные приведут к более интересным открытиям и наблюдениям.

«Ожидается, что улучшенный детектор увеличит эффективность еще в два раза при изучении адронов, в частности, в общей сложности в 10 раз», — добавил Амхис.

«Кроме того, LHCb теперь имеет значительно улучшенную систему введения газов в объем детектора, поэтому он может изучать не только столкновения протонов, но и столкновения протонов с самыми разными ядрами. Это открывает еще одну дверь к пониманию экзотических адронов, изучая их образование в различных типах столкновений. В наших следующих работах мы планируем исследовать все направления для более глубокого понимания этих частиц: поиск новых экзотических адронов, более точное измерение свойств известных экзотических адронов и поиск известных и новых экзотических адронов в различных типах столкновений».