Большой адронный коллайдер обнаружил частицу, которую искали 20 лет

Рождение новой частицы зафиксировано на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Это более тяжелый аналог протона, состоящий из двух очаровательных кварков.

Как все помнят, протоны и нейтроны относятся к барионам. Каждый барион состоит из трёх фундаментальных субатомных частиц — кварков, которые могут быть разных «сортов» (в физике их называют ароматами). Например, протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка.

Есть и более тяжелые кварки, например, шарм-кварки. Они также способны образовывать барионы. Но такие необычные комбинации тяжелее и, как следствие, крайне нестабильны. Они живут ничтожные доли секунды и быстро распадаются на другие частицы.

В 2017 году физики из коллаборации LHCb в ЦЕРН впервые обнаружили один из этих экзотических барионов. Частица с запоминающимся названием Xicc++ состояла из двух очаровательных кварков и одного ап-кварка и просуществовала всего одну триллионную долю секунды. Теперь исследователи LHCb обнаружили сестру этой частицы, также полную очарования: Xicc+. Вместо верхнего кварка он содержит нижний кварк, что делает его более тяжелым родственником протона.

Согласно теоретическим расчетам, время жизни Xicc+ должно быть в шесть раз короче, чем у Xicc++, что делает его обнаружение практически невыполнимой задачей. Это стало возможным только после модернизации детектора LHCb, которая позволила проводить более чувствительные поиски. Достоверность открытия превышает 7σ. Для официального признания напомним, что пяти сигм вполне достаточно.

"Открытие этой частицы само по себе является долгожданным событием, потому что Xicc+ искали очень долго. Но этот успех также наглядно демонстрирует потенциал модернизации БАКа. Проанализировав данные всего за один год, мы смогли увидеть то, что было невозможно при взгляде на десять лет оборудования предыдущего поколения", - говорит профессор Крис Паркс из Манчестерского университета.

По его мнению, наблюдение этой частицы поможет понять, как сильная ядерная сила, связывающая кварки, «склеивает» между собой более тяжелые кварки (в отличие от тех, из которых состоят протоны и нейтроны). Кроме того, это открытие раскрывает загадку двадцатилетней давности.

В 2002 году физики эксперимента SELEX в Национальной ускорительной лаборатории. Ферми из Иллинойса сообщили, что они, возможно, видели частицу, очень похожую на Xicc+. Однако его масса оказалась гораздо ниже, чем предсказывала теория, а статистическая значимость наблюдения составила всего 4,7 сигма.

«Мы наконец нашли эту частицу, и ее масса была ближе к массе ее «двоюродного брата» Xicc++, найденного несколько лет назад, а не к той, которую предсказывали данные SELEX», — объясняет Паркс.

Высокая достоверность нового открытия окончательно закрыла вопрос о массе этой частицы.

"Это очень интересное измерение, но пока не совсем ясно, что именно оно нам дает. Квантовая хромодинамика не запрещает существование такого адрона, но теперь, когда мы экспериментально подтвердили его существование, особой ясности не прибавилось", - признает профессор Хуан Рохо из Свободного университета Амстердама.

По его мнению, современные теории несовершенны: они пока не могут точно предсказать, как тяжелые кварки взаимодействуют внутри барионов и какой должна быть их масса.

"В изучении таких частиц эксперимент сейчас опережает теорию. Но не исключено, что через пять лет именно это измерение поможет ответить на некоторые наиболее важные теоретические вопросы", - резюмирует физик.