Физики в CERN впервые обнаружили частицу с необычным сочетанием кварков: она состоит из двух тяжелых прелестных кварков (charm) и легкого верхнего кварка (up), и дважды положительно заряженная.
Существование таких барионов с двумя тяжелыми и одним легким кварками теоретически предсказывали уже давно, но только теперь их существование удалось доказать с помощью детектора LHCb (Large Hadron Collider beauty) – ускорителя частиц, разработанного в рамках Большого андронного коллайдера (БАК). Необычная комбинация кварков дает ценные показания для экспертов в области физики элементарных частей.
Большинство из составляющих материи составляют барионы – частицы из трех кварков. В протонах и нейтронах, например, комбинируются два легчайшие кварки – верхний и нижний. Но есть и четыре другие, тяжелые виды. На основании этого можно предположить, что и они присутствуют в барионах. Хотя до сих пор в ускорителе частиц физики не производили ни экзотических частиц с четырьмя, пятью или шестью кварками, ни барионный с тяжелыми кварками, что на удивление редкие (некоторые из до сих пор известных вариантов содержат максимум один тяжелый кварк).
И недавно на CERN физики впервые обнаружили барион с двумя тяжелыми кварками. Он содержит одновременно два нижних кварки и один верхний. «Существование таких барионов с двойными кварками считали возможным с 70-х гг. ХХ века», – объясняют ученые. Однако все предыдущие попытки поймать эти частицы оканчивались неудачей. Вплоть по сей день.
«Это впервые, когда однозначно выявили такую частичку», – говорится в сообщении CERN. Барион, который назвали «Ξcc++», ученые обнаружили благодаря детектору LHCb, что на Большом андронном коллайдере (БАК). В данных распада второго жизненного цикла, когда сталкивались протоны с энергией 13 тэв, на кривой проявлялся заметный горб. Причиной этого отклонения были продукты распада барионов, объяснили ученые.
Новая частица имеет массу 3.621 мегаэлектронвольт. То есть она примерно вчетверо тяжелее, чем протон. Причина этого – два тяжелых кварка, каждый из которых весит 1,275 мегаэлектронвольт. Как и протон, новый барион положительно заряжен, информируют ученые. Но он имеет двойной элементарный заряд, зато протон – просто положительный.
Именно это и помогло физикам открыть частичку. Ведь ученые объяснили: в детекторе барион «Ξcc++» летит относительно далеко, а уже затем распадается. «Этот статус совпадает с медленным распадом, что происходит под действием слабого взаимодействия, которую и ожидали увидеть», – информируют ученые.
Особенно восхищает то, что неодинаковая комбинация кварков нового бариона предоставляет возможность взглянуть под другим углом на природу таких частиц и их взаимодействие. Впервые физика элементарных частиц смогли выяснить, как присутствие одновременно двух тяжелых кварков влияет на поведение частиц.
«В других барионах кварки осуществляют сложный танец друг вокруг друга, – объяснил Гай Уилкинсон (Guy Wilkinson) из сообщества LHCb. – Зато мы считаем, что барионы с двойной массой ведут себя как двойная планетарная система: оба тяжелые кварки облетают друг друга, зато легкие кварки кружит вокруг двойной системы». Показания об их поведении физики ожидают получить после детального анализа продолжительности и механизмов распада.
«Барион с двумя тяжелыми кварками интересен, ибо предоставляет нам уникальный инструмент, чтобы узнать больше о квантовой хромодинамике», – пояснил Джованни Пассалева (Giovanni Passaleva), представитель сообщества LHCb. Квантовая хромодинамика описывает эффекты сильного взаимодействия, одной из четырех фундаментальных сил физики. Это сила, что удерживает вместе атомное ядро.
Нововыявленный барион с двойным кварком, вероятно, не единственный в своем роде: физики предполагают, что целая «семья» барионов с двумя кварками может образовывать связи с другим третьим кварком. Совсем скоро эти частицы могут обнаружить с помощью ВАК. Во всяком случае, исследователи LHCb-сообщества уже начали свою погоню за ними.
Еще на свое открытие ждут барионы с двумя другим тяжелыми кварками – в частности: двумя красивыми или красивым и волшебным. Согласно теории, они должны были бы существовать и по крайней мере на короткое время задерживаться в ускорителе частиц.