Физики открыли частицу сразу с четырьмя «ароматами»

В ходе анализа данных, полученных на ускорителе Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (США), международная коллаборация физиков DZero обнаружила следы распада X(5568) — крайне необычной короткоживущей четрёхкварковой частицы. Хотя сами тетракварковые частицы известны уже несколько лет, до этого ни одна из них не состояла сразу из четырёх типов кварков с различными квантовыми ароматами: верхний (u), нижний (d), странный (s) и прелестный (b). Статья об открытии готовится к публикации в журнале Physical Review Letters. С препринтом можно ознакомиться на сайте Корнелльского университета.

Учёные проанализировали архивные записи детекторов ускорительного комплекса Тэватрон, который до недавних пор был вторым в мире по мощности. Все данные были собраны до 2011 года, после чего комплекс был закрыт.

Частица X(5568) была получена в ходе столкновений протона и антипротона, во время распада которых возникали B_s-мезон и пи-мезон. В свою очередь, они также продолжали распадаться, а детекторы частиц на ускорителях записывали получающиеся в результате этого сигналы. Обобщив их, физики построили кривую распределения масс B_s-мезонов и пи-мезонов, в которой статистически наиболее часто (отличие между теоретическим предсказанием и экспериментальными данными составило 5,1 сигм) появлялись частицы с массой в 5568 мегаэлектронвольт (почти вшестеро тяжелее протона).

Авторы работы подчёркивают, что распад шёл через механизм сильного взаимодействия (об этом свидетельствует ряд формальных характеристик кривой распределения масс мезонов). В свою очередь, это означает, что в распадающейся частице было не менее четырёх кварков. И, более того, все они принадлежали к разным типам («ароматам»), а именно u, d, s и b (верхний, нижний, странный и прелестный).

Все ранее известные четырёхкварковые частицы имели не менее двух одинаковых типов кварков. Новое открытие чрезвычайно важно в том смысле, что оно фиксирует абсолютно новый класс частиц из четырёх кварков, в котором, возможно, будут открыты и другие частицы с таким же составом.

Обычно элементарные частицы (адроны) состоят либо из кварка и антикварка (мезоны), либо из трёх кварков (барионы). Практически любая другая конфигурация в физике называется экзотической и за пределами ускорителей в земных условиях обычно не встречается. Живут такие частицы, как правило, крайне недолго, но сам факт их существования важен для физики элементарных частиц в целом.

Дело в том, что, когда учёные пытаются просто создать условия для смешивания нескольких кварков, те самопроизвольно складываются в двух- и трёхкварковые частицы. Почему природа в нормальных условиях ограничивается только такими малыми наборами кварков в частицах — одна из главных современных проблем физики элементарных частиц. Из-за этого очень непросто понять, почему иногда всё же возникают частицы с большим количеством кварков и какие особенности физических процессов к этому ведут.

Существуют к таким экзотическим явлениям, как X(5568), и другие вопросы. Из-за того что кварк является буквально точечным объектом (размеры его на сегодня измерить не удаётся, так они малы), пока нельзя детально проанализировать, является ли X(5568) обычной частицей, где кварки сосредоточены в одном едином конгломерате, или молекулой из двух мезонов, вращающихся друг вокруг друга. Прояснение этого вопроса даст ответ на вопрос, способны ли существовать такие теоретически предсказанные «мезонные молекулы», и если да, то насколько долго.