В ЦЕРН обнаружена новая частица, которая уточнит кварковую модель⁠⁠

Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила об открытии нового состояния c-кварка и анти c-кварка – частицы ψ3(1D). Экспериментальное наблюдение этой частицы позволило закрыть один из пробелов в кварковой модели. Результаты были представлены на Международном совещании по электрон-позитронным столкновениям в области энергии от Phi до Psi, которое проходит в ИЯФ СО РАН с 25 февраля по 1 марта 2019 года.

Кварковая модель – часть Стандартной модели, описывающая сильные взаимодействия. В частности, она описывает возможные состояния c-кварков и анти c-кварков (очарованных кварков и очарованных анти-кварков). Многие состояния (то есть частицы) кварковой модели уже наблюдались экспериментально, и их свойства определены с высокой точностью.

Связанным состоянием c-кварка и анти c-кварка является чармоний, самым легким из которых считается джи-пси мезон (J/ψ-мезон). С момента открытия J/ψ-мезона (1974 г.) было обнаружено достаточно много чармониев.

Сигнал от частицы ψ3(1D) эксперимента LHCb

«Чармонии – очень большой класс частиц, среди которых известно более 20 состояний. Но в этом классе есть и белые пятна – частицы, которые предсказываются моделью, но не наблюдаются в эксперименте. Много лет их искали, но не находили, – рассказывает сотрудник коллаборации LHCb, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики, кандидат физико-математических наук Иван Беляев. – Сигнал от частицы, который мы увидели, обладал удивительным свойством – он был очень узким, хотя для частиц с данной массой типичная ширина должна была быть в 10-20 раз больше. В течение полугода мы проверяли, не ошиблись ли – это первое, что должен сделать физик, когда получает такую красивую картинку. Но теперь уже точно есть повод для радости – мы увидели ту частицу, которою долгое время не удавалось обнаружить».

Новая частица ψ3(1D) была обнаружена в распаде на D0D0 и D+D-. Это стало возможно именно сейчас благодаря тому, что в эксперименте на LHCb было набрано необходимое количество статистики.

«В эксперименте LHCb отобрали набор D+D- и D0D0, и построили инвариантную массу: энергию частиц в системе центра масс. Далее при анализе спектра инвариантных масс был обнаружен сигнал при энергии 3842 МэВ с достаточно маленькой шириной», – пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, заведующий кафедрой физико-технической информатики ФФ НГУ, сотрудник коллаборации LHCb, кандидат физико-математических наук Павел Кроковный.

Наблюдаемая масса и узкая ширина действительно позволяют говорить об обнаружении нового состояния чармония со спином 3, которое ранее не наблюдалось ни в одном эксперименте. Однако массы и ширины недостаточно, чтобы идентифицировать частицу полностью, поэтому необходимо продолжать набор статистики.

Павел Кроковный отметил, что в физике высоких энергий принято верифицировать результаты в независимых экспериментах на других установках. Параллельно с экспериментами на LHCb, где изучаются аннигиляции при протон-протонных столкновениях, проверить вероятность рождения ψ3(1D) можно также в эксперименте Belle II в Японии, в котором происходит столкновение электронов и позитронов.

«Мы ждем, что эксперимент Belle II, в котором одну из главных ролей играет группа из Будкеровского института, не увидит ψ3(1D). Но для нас это будет положительным результатом. Дело в том, что частицы со спином 3 и не должны рождаться в эксперименте с электрон-позитронным столкновением. Ее отсутствие будет означать, что мы на LHCb видим ту самую частицу. 11 марта на Belle II будет начат набор данных на модернизированном коллайдере SuperKEKb», – добавил Иван Беляев.

Помимо участия в международных коллаборациях LHCb и Belle II, специалисты ИЯФ СО РАН и НГУ проводят и собственные исследования в области физики элементарных частиц на ускорительных комплексах ВЭПП-2000 и ВЭПП-4М. Например, ранее на детекторе КЕДР с самой лучшей в мире точностью была измерена масса J/ψ-мезона. Кроме того, идет интенсивная работа над новым будущим проектом Супер C-Тау фабрики, который позволит вести исследования физики чармониев на качественно новом уровне.

ИЯФ СО РАН