Ярчайшим примером такого пути развития науки является спектроскопия атомных спектров. К концу девятнадцатого века все указывало на непрерывность макроскопических законов, дискретность проявлялась в макромире. Даже молекулярно-кинетическая теория рассматривалась критиками лишь как удобный способ описания мира. Такое часто бывает, например, а гелиоцентрическую систему Коперника целый век после ее создания смотрели как на некий трюк, позволяющий легко объяснить сложные вещи, но не являющийся сутью вещей. Дискретные спектры излучения (и поглощения) элементов буквально взорвали физику.

Свет можно разложить по спектру используя обычную призму. Белый свет, который мы видим при прохождении через призму превращается в радугу. Каково же было изумление естествоиспытателей, когда, нагревая газ, и пропуская газ свет через призму, они видели не равномерно заполненный спектр, а отдельные (дискретные) спектральные линии. Фактически исследуя закономерности этих линий и родилась квантовая механика.

Это путь занял больше пятидесяти лет. Сначала был накоплен спектрометрический материал. Потом установлены численные законы без всякого понимания их сути (правило Бальмера, 1885). Затем эти числа были искусственно введены в теорию (правила Бора о квантовании орбит, 1913). И только потом, через гениальную догадку де Бройля о том, что у частиц тоже могут проявляться волновые свойства была построена квантовая механика (волновая механика Шредингера, 1926), где эти числа, а следовательно, и эти спектры возникали естественно (сами собой).

За атомной спектроскопия последовала спектроскопия ядерная, причем в как нескольких своих ипостасях. Можно было измерять массы различных ядер при помощи масс-спектрометра. Ободрав атомы и ускорив электрическим полем образовавшиеся ионы можно было разделить их используя поле магнитное. Из этих опытов стало понятно, что у одного и того же элемента (с одинаковыми химическими свойствами) могут быть ядра различной массы -- изотопы. Масс-спектрометрические работы Дж.Дж. Томпсона, Ф. Астона и А. Демпстера (схема спектрометра Демпстера и заделение в нем изотопов калия приведена на рисунке) с 1910-1930 гг. создали базу изотопов и заложили основу теории ядра. Сейчас мы понимаем, что оно состоит из нуклонов (протонов и нейтронов), но такая четкая картина не сложилась без систематического исследования изотопов.

Другим видом ядерной-спектроскопии является изучение спектров излучения ядер. Как только было открыто явление ядерной радиоактивности стало очевидно, что исследование спектров излучаемых частиц - богатейший источник не только информации о внутреннем устройстве ядер, но и может давать указания, позволяющие делать фундаментальные открытия. Показателен пример исследования спектров бета-частиц. Эти распределения выбивались из уже ставшей привычной дискретной картины. На основании бета-спектров в начале 30гг XX века Вольфганг Паули выдвинул гипотезу о существовании нейтрино, супер легкой элементарной частицы, очень-очень слабо взаимодействующей с веществом. Энрико Ферми построил первую количественную теорию бета-распада, а уже в 50-х года нейтрино было открыто.

Богатейшую информацию о внутренней структуре, форме и энергии ядра несет излучение ядрами фотонов – квантов электромагнитного излучения. При помощи гамма-спектроскопии стало возможным детальное исследование ядерных уровней и послужила толчком сначала к оболочечной, а потом и к обобщенной модели ядра. Исследования фотонов, излучаемых ядрами, дает доступ не только к уровням, на которых расположены нуклоны в самосогласованном ядерном потенциале, но и позволяет исследовать такие, казалось бы, экзотические (коллективные) явления, как ядерный «волчок». Ядра некоторых атомов имеют ярко выраженную несферическую форму и могут быть закручены, однако так как действие происходит в микромире энергия вращения квантуется, и спектр гамма-квантов напоминает гребенку.

Реальность же оказалось полнейшим сюрпризом. Она сначала повергла физиков-теоретиков в шок, а потом вызвала такой бурный рост теории, который назвали ноябрьской революцией 1974 года. Новый тип кварка нашли в субатомной частице (мезоне), состоящей из c кварка и соответствующего c-антикварка. Шок был из-за того, что открытая группами Тинга и Рихтера частица жила очень долго (очень узкий резонанс). Пытаясь понять, как же устроена частица J/ψ теоретики пришли к идее бегущей константы сильного взаимодействия и к идее получившей название асимптотической свободы. Стало понятно, как работает теория сильного взаимодействия, был дан толчок к её развитию, что привело к появлению пертурбативной квантовой хромодинамики, которая дает отличные предсказания для взаимодействий адронов высоких энергий.

Другим следствием асимптотической свободы явилось то, что описание (и вычисление) спектра чармония, систем подобных частице J/ψ, оказывается гораздо легче, чем для более легких частиц. Фактически тут применимы подходы, которые Шрёдингер применял для описания атомов водорода, а ученые 50-х годов для описания уровней ядер. Система описывается эффективным потенциалом уровни в котором квантуются, но теперь каждому уровню соответствует своя элементарная частица. Потенциал, описывающий такую систему получил название корнуолльского по названию университета, в котором он был предложен. Теперь уже экспериментаторы подтверждали предсказания теоретиков, открывая все новые и новые виды чармония. Ситуация повторилась с еще более тяжелым b (прелестным, beauty) кварком, который в четыре раза тяжелее с. Спектр ботоммония также описывается в рамках корнуольского потенциала.

А что же прелестно-очарованные системы? Семейство заряженных B_c мезонов уникально тем, что мезоны состоят из b-кварка и с-антикварка или наоборот (тогда B_c будет иметь противоположный электрический заряд). Так для B_c семейства предполагалась система уровней (частиц), изображенная на рисунке 1. На сегодняшний день из всей этой схемы было надежно экспериментально зарегистрировано лишь основное состояние, открытое в 1998 году экспериментом CDF, проводившемся на коллайдере Тэватрон в США. Позднее там же в эксперименте D0 наблюдались другие распады основного состояния B_c мезона. Поиск состояний с большей массой велся непрерывно все последующие годы. Однако, полученные результаты, были противоречивы. В 2014 году эксперимент ATLAS сообщил о наблюдении состояния, которое могло быть интерпретировано как B_c(2S), однако в конце 2017 года эксперимент LHCb показал, что не наблюдает эту частицу. Следует отметить, что LHCb располагал экспериментальной статистикой в десять раз превышающую ту, что имел в своем распоряжении ATLAS. Обе эти работы были выполнены на данных первого этапа работы БАК (Run-I). В новой работе CMS использовал данные, набранные в 2016-2018 гг. в ходе второго этапа работы ускорителя БАК (Run-II).

B_c(2S)-мезоны должны распадаться практически мгновенно после образования, так как этот процесс обусловлен сильным взаимодействием. Процесс происходит с испусканием π⁺π^– (или π⁰π⁰) пар, при этом B_c(2S)⁺ мезоны распадаются в основное состояние, а B^*_c(2S)⁺ в B^*_c⁺, которые испускают фотон и переходят в основное состояние (это тоже происходит практически мгновенно, так как процесс обусловлен электромагнитным взаимодействием). Распад основного состояния обусловлен слабым взаимодействием и поэтому B_c⁺ мезон успевает отлететь от точки взаимодействия протонов на заметное расстояние.

Чтобы экспериментально обнаружить переходы между состояниями распадающихся частиц физики проходят «обратный» путь. В данном случае сначала необходимо зарегистрировать распад основного состояния. Это делают при помощи регистрации распадов B_c⁺ мезона на пион и частицу J/ψ, которая дальше распадается на пару мюонов. Спектр масс таких распадов B_c⁺, выделенных экспериментом CMS, приведен на рисунке 2 (слева). CMS реконструировал 7.5 тысяч распадов B_c⁺, что более чем в два раза превосходит статистику LHCb. Дальше события-кандидаты из области спектра богатой B_c⁺ комбинируются с парой треков от пионов противоположного заряда. B_c(2S) состояния проявляют себя как пики в спектре масс системы B_cπ⁺π^–. Из-за того, что фотон из распада B^*_c(2S)⁺→B^*_c⁺γ теряется, соответствующий пик лежит ниже массы B^*_c(2S)⁺, а также становится невозможно однозначно установить, какой из двух пиков относится к B^*_c(2S)⁺, а какой к B_c(2S)⁺ мезону. Оба пика установлены в высокой статистической значимость, позволяющий говорить о том, что физики наблюдают распады частиц, о существовании которых было известно лишь из теоретических расчетов (если не брать в расчет результаты эксперимента ATLAS). Теперь необходимо, чтобы эксперимент LHCb, который еще анализирует данные Run-II, подтвердил это открытие.