чармоний
Скрытое очарование
Частицы, содержание очарованный кварк и очарованный антикварк, называют частицами со скрытым очарованием. Сейчас мы уже знаем несколько типов таких частиц, но в этой заметке речь пойдет о простейшей категории – чармониевых (с – анти-с) состояниях.
Надёжное предсказание существования четвертого (очарованного или c кварка) в дополнение к уже известным кваркам: u, d и s, относят к работе, выпущенной в 1970-м году Шелдоном Глэшоу (на левой фотографии), Джоном Илиопоусом (посередине) и Лучиано Майани (справа). Они указали, что проблема (расходимости интегралов) с теоретическим предсказанием вероятности распада KL0 мезона на пару мюонов, вытекающая из предположения о существовании только три кварковых полей (которым соответствуют u, d и s); легко решается, если постулировать существование четвертого кваркового поля (соответствующего c кварку). Оставалось найти этот четвертый кварк.
Элегантность решения проблемы с распадом KL0→μ+μ– вытекает из того, что в дополнение к расходящемуся интегралу, соответствующего верхней диаграмме, существует другой член, соответствующий нижней диаграмме, который сокращает расходимость. Подобные диаграммы соответствуют изменяющим аромат нейтральным токам (Flavor Changing Neutral Currents, FCNC). Мы уже видели подобные диаграммы, когда обсуждали смешивание нейтральных мезонов.
Очарованный кварк искали почти четыре года с момента публикации статьи о ГИМ-механизме (акроним из первых букв фамилий теоретиков его предложивших), но не могли найти. Не могли потому, что не до конца понимали его физику. Более того физики видели его проявления, но не осознавали, что наблюдают сигнал от новой и очень необычной частицы. Так группа Леона Ледермана (Брукхейвенская Национальная Лаборатория, США) наблюдала необычный неожиданное поведение вероятности (физики говорят «сечения») рождения двух мюонов при столкновении протонного пучка энергией 29.5 ГэВ с толстой урановой мишенью. В спектре наблюдалось необъяснимое плечо, начиная примерно с 3 ГэВ/c2. Основное (и как теперь понятно, неверное) объяснение этого феномена было проявление W бозона. Сейчас понятно, что эксперимент Ледермана видел вклады от очарованных частиц.
Сечение рождения двух мюонов при столкновении протонного пучка энергией 29.5 ГэВ с толстой урановой мишенью.
Вот еще один спектр, глядя на который, современный физик видит два места для «проявления» очарованного кварка. Этот спектр был показан Бертоном Рихтером (будущим открывателем c кварка) на конференции в Лондоне. Величина R, представленная на спектре – это отношения вероятностей рождения адронов к вероятности рождения μ+μ– пары в электрон-позитронных взаимодействиях в зависимости от энергии этого взаимодействия. На этом спектре спрятана частица J/ψ, которая настолько «узкая», т.е. живет очень долго, что экспериментаторы настраивая энергии столкновения электронов и позитронов просто не попали в неё. Еще одно указание, которое тогда не разглядели из-за больших погрешностей измерения («усов» на графике), систематическое увеличение величины R при энергиях больше 4 ГэВ. Сейчас эта картинка вызывает улыбку.
Проявление существования очарованного кварка в распределении величины R:
- J/ψ и
- увеличение плоской части R, начиная с энергии 4 ГэВ (зона udsc)
Картинка G. Myatt, Oxford
- J/ψ и
- увеличение плоской части R, начиная с энергии 4 ГэВ (зона udsc)
Картинка G. Myatt, Oxford
Первый представитель семейства чармония – частица, получившая название J/ψ, была открыта в 1974 году сразу двумя группами: Самуэля Тинга (Брукхейвен, частицу открытую в распаде на электрон и позитрон, они назвали частицу J) и Бертона Рихтера (Стенфорд, они наконец «наткнулись» на такую энергию столкновения электронов и позитронов на ускорителе SPEAR при которой наблюдалось резонансное рождение электронов и адронов; частицу назвали ψ). Это открытие (а главное факт, что J/ψ оказался неожиданно очень узким резонансом) определило быстрое развитие квантовой хромодинамики (КХД) – части физики элементарных частиц, описывающей сильное взаимодействие. События 1974 года получили название ноябрьской (обе работы были опубликованы 11 ноября 1974) революции физики частиц. За свои открытия Тинг и Рихтер были удостоены Нобелевской премии по физике, которая была им вручена в 1976 году.
Открытую частицу полюбили не только теоретики, но и экспериментаторы. Из-за своей «ширины» её легко идентифицировать. Также она появляется с довольно высокой вероятностью в распадах прелестных мезонов (содержащих b кварк). За примером не нужно далеко ходить. Как мы уже сообщали недавно физики, работающие в эксперименте CMS на БАК, объявили об открытии Bc(2S) частицы. Делали они это при помощи регистрации распадов Bc+ мезона на пион и частицу J/ψ, которая дальше распадается на пару мюонов.
Открытую частицу полюбили не только теоретики, но и экспериментаторы. Из-за своей «ширины» её легко идентифицировать. Также она появляется с довольно высокой вероятностью в распадах прелестных мезонов (содержащих b кварк). За примером не нужно далеко ходить. Как мы уже сообщали недавно физики, работающие в эксперименте CMS на БАК, объявили об открытии Bc(2S) частицы. Делали они это при помощи регистрации распадов Bc+ мезона на пион и частицу J/ψ, которая дальше распадается на пару мюонов.
c кварки – это довольно массивные объекты (тяжелее протона). Поэтому расчет свойств частиц, включающих c и анти-c кварки, оказывается очень точен. Такой тип частиц называют мезоны со скрытым очарованием (есть мезоны со скрытой прелестью: b–анти-b состояния, и со скрытой странностью: s–анти-s). Спектр чармониевых состояний (еще одно название для с–анти-с систем) хорошо теоретически и экспериментально изучен. Каждому уровню соответствует своя частица.
По оси абсцисс отложены квантовые числа, а по оси ординат массы состояний. Черные линии соответствуют уже открытым частицам, а цветные предсказанным состояниям. (источник изображения Nature 534, pp. 487–493).
По оси абсцисс отложены квантовые числа, а по оси ординат массы состояний. Черные линии соответствуют уже открытым частицам, а цветные предсказанным состояниям. (источник изображения Nature 534, pp. 487–493).
Ещё не все из предсказанных c–анти-c состояний открыты. Некоторые из них невозможно получить на электрон-позитронных коллайдерах, но, оказывается, их распады, а значит и рождение, можно зафиксировать в протон-протонных взаимодействиях. Дело в том, что начиная с некоторой массы частицы могут распадаться под действием сильного взаимодействия на пару D мезон и анти-D мезон. Вот, например, диаграмма распада частицы ψ(3770): сначала существует c–анти-c пара, затем из КХД вакуума рождается лёгкий кварк и соответствующий антикварк, один из них связывается с c кварком, образуя D мезон, а вторая с анти-c кварком (анти-D мезон). Если появляются u кварки, то мезоны (и антимезоны) электрически нейтральны, а если d, то заряжены. Зарегистрировав пару D мезон и анти-D мезон можно восстановить массу распавшейся ψ(3770) частицы и других чармониевых состояний, распадающихся подобным образом.
Диаграмма распада частицы ψ(3770).
Новая частица X(3842) должна распадаться подобным же образом.
В феврале 2019 года, на конференции PhiPsi-2019, (проходила в Новосибирск) эксперимент LHCb заявил об обнаружении нового состояния именно в D - анти-D канале. Следует отметить, что в новой работе LHCb использовал все данные, набранные в 2011-2018 гг.
Иван Беляев, сотрудник коллаборации LHCb, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова НИЦ Курчатовский институт:
«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, 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» (цитата из заметки В ЦЕРН обнаружена новая частица, которая уточнит кварковую модель)
Спектр массы систем D мезон и анти-D мезон: сверху для пары электрически нейтральных частиц, снизу для пары заряженных частиц. Новая частица X(3842) проявляет себя как пик в этом распределении. Полное описание сигнала (золотая линия) включает в себя вклад от X(3842) (розовое распределение), а также вклад фона (синяя штрихованная линия).
LHCb обнаружил новую частицу в массовом спектре пары D мезон и анти-D мезон, причем как в электрически заряженном так и в электрически нейтральном каналах (см. рисунок выше). В заряженном канале распада зарегистрировано 2070 ± 190 событий, а в нейтральном 930 ± 170 событий. Масса новой частицы, которую пока обозначают X(3842), составляет 3842.71 ± 0.16стат. ± 0.12сист. МэВ/c2, а ширина 2.79 ± 0.51стат. ± 0.35сист. МэВ. Статистическая значимость открытия чрезвычайно высока, т.е. вероятность того, что пики появились случайно, за счет статистических флуктуаций, ничтожно мала. Исходя из этих измерений физики предполагают, что впервые найдено чармониевое состояние со спином 3 (очень сильно «закручена» частица). В этом предположении квантовые числа частицы должны быть JPC=3– – и её нужно будет обозначать как ψ3(1D). Пока представленные спектра и измеренные значения носят предварительный характер, но уже скоро окончательные значения и научная статья будут направлены для публикации в один из физических журналов.
Алексей Дзюба, физиик, сотрудник LHCb
Алексей Дзюба, физиик, сотрудник LHCb
