|
Обнаружены новые структуры из сверхтяжелых кварков
|
|
|
|
Вот уже более десяти лет CMS Collaboration, большая команда исследователей из различных институтов по всему миру, анализирует данные, собранные с помощью компактного мюонного соленоида - универсального детектора частиц на Большом адронном коллайдере (БАК) ЦЕРНа. Это крупномасштабное международное научное сотрудничество было направлено на наблюдение различных неуловимых физических явлений, включая экзотические частицы и кандидатов в темную материю. В недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, коллаборация CMS сообщила о трех экзотических структурах из тяжелых кварков. Эти структуры, которые, по-видимому, являются частью общего семейства, могут открыть новые интересные возможности для исследований в области физики элементарных частиц.
|
|
|
|
"Практически все, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни, состоит из трех частиц: электронов, протонов и нейтронов", - сказал профессор Кай И из Нанкинского педагогического университета и Университета Цинхуа, соавтор статьи Phys.org. "Электроны, насколько нам известно, являются фундаментальными, но два других элемента состоят из триплетов частиц, называемых кварками. Кварковая модель частиц была предложена в 1964 году, и к началу 1970-х годов были получены убедительные доказательства ее правильности". Модель, представленная в 1964 году, описывает кварки как тесно связанные частицы, настолько сильно связанные, что они не могут существовать по отдельности и вместо этого наблюдаются только как связанные кварковые триплеты (qqq) или кварк-антикварковые дублеты (qq-). Физики выявили огромное количество таких тесно связанных кварковых систем, также известных как "адроны".
|
|
|
"Существует огромное количество этих систем кварк, но помимо протонов и нейтронов, они лишь мимолетное существование," профессор Yi пояснил. "В кварковой теории 1964 года была лазейка, заключавшаяся в том, что, возможно, всего лишь возможно, квартеты кварков также могут образовывать частицы, которые называются "экзотическими" адронами. Физики десятилетиями обсуждали эту возможность, но это была своего рода второстепенная деятельность". Долгое время наблюдение за экзотическими адронами казалось сложной и труднодостижимой исследовательской задачей. Одна из причин этого заключается в том, что доступные экспериментальные инструменты позволяли физикам искать только экзотические системы, полностью состоящие из легких (u, d, s) кварков, которые трудно отличить от обычных адронов.
|
|
|
|
"Как более мощные коллайдеры частиц стало доступно, пришли систем, включающих более тяжелый (с, b) кварки лучше и лучше—и более тяжелый кварк, и чем больше их будет, тем легче понимание системы стал" профессор Сказал Йи. "Один очарованный (c) кварк имеет массу, примерно в полтора раза превышающую массу протона, а нижний (b) кварк примерно в пять раз тяжелее протона, тогда как отдельные u- и d-кварки составляют менее 0,5% массы протона." В 2003 году статья, опубликованная коллаборацией Belle в Японии, вызвала новый интерес к экзотическим системам, открыв X(3872), которая была предложена в качестве возможной cc-qq-системы (то есть системы, содержащей два тяжелых кварка). Это проложило путь к новым исследованиям, в которых были представлены другие экзотические адроны-кандидаты, содержащие очарованные и даже донные кварки, что намекает на существование тетра- и пентакварковых систем.
|
|
|
|
Несмотря на эти усилия, внутренняя структура экзотических адронов остается загадкой, поскольку известные системы состоят из легких кварков и, следовательно, по своей сути сложны для моделирования. Таким образом, наблюдение за системами, состоящими исключительно из тяжелых кварков, могло бы открыть новое окно в экзотические структуры, позволив физикам лучше понять сильные взаимодействия между кварками. "Проблема с тяжелыми кварками заключается в том, что их трудно получить", - говорит проф. - Сказал Йи. "Шагом в этом направлении является поиск систем, в которых u- или d-кварки заменены s-кварком. Хотя s-кварк все еще считается легким кварком, его масса примерно в 40 раз превышает массу u-кварка. В 2009 году это было достигнуто благодаря открытию Y(4140), который теперь называется chi_c(4140), который является кандидатом на cc-ss-тетракварк (то есть первым экзотическим кандидатом, не содержащим ни одного из очень легких (u, d) кварков)."
|
|
|
|
Открытие chi_c(4140) побудило другие исследовательские группы искать структуры, полностью состоящие из c- и d-кварков. После того, как существование этой системы было подтверждено, CMS также начала поиск систем, распадающихся на пары частиц J/psi или пары частиц-ипсилонов. "Джей/пси КС - связанном состоянии Ипсилон ВВ - государства, и, таким образом, нечто, распадающееся на эти пары частица будет ярким кандидата для тяжелых тетра-кварка," профессор Сказал Йи. "Используя данные, собранные в 2011 и 2012 годах в рамках первого запуска LHC, CMS действительно обнаружила намек на две структуры J/psi-J/psi, но в то время было недостаточно данных, чтобы сделать убедительное заявление". В 2019 году коллаборация CMS возобновила поиск систем из тяжелых кварков, распадающихся на пары частиц J/psi или Upsilon, на этот раз используя данные, собранные на БАКЕ ЦЕРНА в период с 2016 по 2018 год (запуск II). Однако первая из этих частиц, получившая название X(6900), была в конечном счете обнаружена в ходе другого исследовательского проекта ЦЕРНа, а именно в эксперименте LHCb.
|
|
|
|
"В эксперименте LHCb был первым из ворот с отчет х(6900) загнивающего к J/пси-Джей/пси в 2020 году", профессор Сказал Йи. "Тем не менее, CMS продолжила свою работу, и в конечном итоге мы были вознаграждены, выявив три структуры J/psi-J/psi: подтвердив X (6900) и сообщив о двух новых, получивших название X (6600) и X (7100)". В рамках этого последнего исследования команда CMS специально искала пары мезонов J/Psi. Эти частицы являются мощным зондом для поиска систем, состоящих из тяжелых кварков, поскольку их можно четко идентифицировать в коллайдере LHC, где окружающая среда сложна и характеризуется p-p столкновениями высокой интенсивности. "Для этого исследования команда аналитиков разработала стратегию поиска во втором цикле на основе информации первого цикла, фактически не просматривая данные. Этот подход, называемый "слепым" анализом, очень эффективен во избежание потенциальных ошибок, таких как самообман, когда кажется, что человек находит то, что, по его мнению, он должен или хочет найти. Три структуры выделились после того, как новые данные были, наконец, раскрыты", - говорит профессор Дж. Йи объяснил.
|
|
|
|
Используя эту стратегию слепого анализа, проф. Йи и его коллеги из CMS смогли подтвердить существование структуры, ранее обнаруженной коллаборацией LHCb, а также раскрыть две совершенно новые структуры. Эти три структуры, по-видимому, являются частью одного семейства систем из тяжелых кварков. "А может быть, это не единственно возможная интерпретация, модель, в которой три структуры квантово-механически мешают друг другу о CMS сведения очень хорошо", профессор Сказал Йи. "Это требует, чтобы все три состояния обладали одинаковыми квантовыми свойствами, и дополнительно предполагает, что эти состояния представляют собой семейство возбужденных тетракварков". Три структуры из сверхтяжелых кварков, о которых сообщила коллаборация CMS, дают новые важные сведения о природе и внутреннем строении экзотических адронов. В частности, они указывают на новый режим, к которому физики могут применить теорию сильных взаимодействий: режим "квантовой хромодинамики". "В настоящее время CMS готовится усовершенствовать свои измерения свойств этих состояний", - говорит проф. - добавил Йи. "Новые данные открывают новую захватывающую возможность - поиск возможных экзотических состояний, состоящих исключительно из еще более тяжелых донных кварков".
|
|
|
|
Источник
|
