Схема наименования субатомных частиц вполне устоялась. Для барионов приняты следующие обозначения: протоны и нейтроны обозначают маленькими латинскими буквами p и n, или используют заглавную N (нуклон), когда речь идет об обеих. В 50-х годах прошлого века были открыты «странные» частицы, похожие на нуклоны. Странными их назвали потому, что в ускорительных экспериментах рождалось их довольно много, а жили они довольно долго. Это контрастировало с мгновенно распадающимися Δ- и N-резонансами, которые поначалу и за отдельные частицы-то не считали.

Эти странные частицы, походившие на протоны, стали назвать гиперонами. Сначала нашли частицы, которые сейчас именуются Λ и Σ . Причем, если Λ-частица была всего лишь одна, то Σ было три: нейтральная, положительно и отрицательно заряженные. Весили они на 10-30% больше, чем нуклоны.

Потом нашли две еще более странные частицы, которые распадались каскадно, то есть сначала на Λ и Σ, а потом дальше. Их так и назвали каскадные гипероны; сейчас их обозначают Ξ^― и Ξ⁰. Были и другие «странные» мезоны (частицы другого класса), причем «странные» барионы и «странные» мезоны рождались парами, а потом распадались на другие субатомные (или как тогда считали элементарные) частицы. С этим зоопарком надо было что-то делать, и вот физики-теоретики Мюррей Гелл-Ман, Абрахам Пайс и Казухико Нишиджима в своих работах предлагают сделать «странность» квантовым числом ― новой микроскопической переменной. Странность должна сохраняться при рождении этих частиц (и теперь мы знаем, это происходит за счет того, что в сильном взаимодействии рождается пара s-кварк и анти-s-кварк), но не сохраняться при распаде (опять же, мы сейчас знаем, что распад происходит из-за слабого взаимодействия и s-кварк ипревращается в u- или в d-кварк).

И вот в 1961 году Гелл-Манн и Нееман независимо, предлагают классификацию адронов на основе групповой симметрии SU(3). Не будем сейчас объяснять, что это такое. Отметим лишь, что за век до этого Менделеев, предлагая свой периодический закон, оставил некоторые клетки таблицы пустыми, для еще не найденных элементов. Аналогично, в схеме Гелл-Манна−Нейемана были пустые места. Схема предсказывала для новой частицы массу и некоторые другие ее свойства, в том числе ее каскадный распад, состоящий из трёх ступеней. И такая частица, Ω^―-гиперон, была довольно быстро найдена. Вот его первая фотография, пожалуй, одна из самых известных фотографий субатомных частиц.

Эта (фактически единственная на тот момент) фотография стала прямым указанием на существование s-кварка. Три таких кварка формируют частицу Ω. Сейчас мы знаем, что существует шесть типов кварков. Помимо ранее упоминавшихся u, d и s, есть два тяжелых (c, b) и один супертяжелый t. Последний распадается столь быстро, что не успевает адронизоваться, превратиться в адрон, а вот c и b успевают и порождают семейства похожие по своему устройству на семейство, образованное s-кварками. Изучением членов таких семейств на Большом адронном коллайдере (БАК) занимается специальный эксперимент LHCb, про который мы уже писали.

Когда говорят про очарованные барионы, то есть те в состав которых входит c-кварк, используют те же заглавные греческие буквы, но добавляют к ним нижний индекс c. Очарованные родственники Омеги в последнее время преподнесли несколько сюрпризов. Так в 2017 году LHCb одним махом открыл 5 новых частиц. Искали возбужденные состояния Ω_c⁰-бариона. Возбужденными называют связанные состояния, в котором кварковый состав такой же как у основного состояния, но кварки «колеблются» и/или «вращаются» друг относительно друга. Подобных состояний может быть много, распадаются они под действием сильного взаимодействия. Набор каналов распада, в которых такие возбужденные состояния можно зарегистрировать зависит от массы этих состояний (масса дочерних частиц должна быть меньше массы возбужденного состояния).

Физики LHCb рассматривали канал, в котором возбужденные состояния Ω_c⁰ распадались бы на K⁻-мезон и Ξ_c⁺-барион. Каково же было их удивление, когда, отобрав такие события, они увидели в спектре массы пять узких пиков, соответствующих пяти новым частицам.

Далее было проведено кропотливое исследование спектра массы. Физики проверили, что когда они «объединяют» K-мезоны и Ξ_c-барионы с одним и тем же зарядом пиков не наблюдается; что фон от случайных событий не дает таких пиков. Оказалось, что описать спектр при помощи только фона и пяти сигналов невозможно. Три из пяти найденных частиц могут также распадаться по каналу K⁻Ξ_c^'+ и этот распад дает свой вклад в общую картину. Наконец, для удовлетворительного описания спектра нужно ввести еще одну очень-очень короткоживущую частицу, которая проявляет себя как очень широкий резонанс справа от пяти узких.

Удивление вызывает даже не количество открытых резонансов, а то, что они слишком узкие. Вокруг открытия, которое, кстати, было почти сразу подтверждено японским экспериментом Belle, развернулась широкая теоретическая дискуссия. Предлагаются различные интерпретации. Так некоторые теоретики выдвинули гипотезу о том, что два из пяти обнаруженных состояний это не возбужденные состояния Ω_c⁰, а так называемые пентакварки – частицы состоящие из четырех кварков и одного антикварка.

Также большие сюрпризы поджидали физиков LHCb, исследовавших свойства основного состояния Ω_c⁰. Удивительно, но новое измерение времени жизни этой частицы не совпадает с предыдущими результатами, а примерно в четыре раза превосходит их.

Предыдущие эксперименты были выполнены 15-20 лет назад E687 и FOCUS в Национальной лаборатории им. Энрико Ферми (США) и WA89 в ЦЕРНе. В них небольшое количество Ω_c⁰ рождалось при взаимодействии протонного пучка и неподвижной ядерной мишени. В новых измерениях LHCb накопил порядка 1000 Ω_c⁰→pK⁻K⁻π⁺ распадов Ω_c⁰, появившихся в результате полулептонных распадов прелестных Ω_b^–-барионов (комбинация кварков bss), которые в свою очередь рождаются в протон-протонных соударениях. Столь длинная цепочка позволяет точно измерить точку распада и рождения Ω_c⁰-барионов (её определяют по пересечению треков реконструированной частицы и зарегистрированного мюона). Из кинематических характеристик дочерних частиц можно вычислить импульс, а значит скорость Ω_c⁰, построить распределение событий кандидатов по времени жизни и сравнить его форму с расчетами, в которые среднее время жизни входит как неизвестный параметр.

Преимуществом такого метода является то, что временная шкала точно калибруется, для этого используют другие очарованные частицы, возникшие в полулептонных распадах b-адронов. Результат обескуражил, полученное среднее время жизни 268 ± 24 ± 10 ± 2 фс (1 фс – одна квадриллионная часть секунды) оказалось слишком велико по сравнению с предыдущими исследованиями

Такое большое расхождение результатов различных экспериментов довольно редкое явление в физике частиц. Конечно, будут независимые экспериментальные проверки, но, без сомнения, это измерение всколыхнет интерес к физике очарованных барионов, и, возможно, заставит пересмотреть некоторые теоретические модели и расчеты.