Неописанная частица Z (4430)

lhcb 9apr20141

9 апреля 2014 года коллаборация эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере подтвердила существование экзотического адрона Z (4430) – новой частицы, не описываемой традиционной кварковой моделью. Об этом сообщается на сайте ЦЕРНа.

Как известно, все мы, и все вещества вокруг нас, состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из ядер в виде склеенных сильным притяжением протонов и нейтронов и витающих вокруг них электронов. Протоны и нейтроны образованы еще более мелкими частицами – кварками.

Ранее теоретически и экспериментально было показано, что существует только шесть типов кварков, и каждому кварку соответствует античастица – антикварк. В рамках стандартной кварковой модели считалось, что эти кварки образуют другие частицы, состоящие либо из 2, либо 3 частиц. Частицы из трех кварков получили название барионы, примерами барионов являются хорошо нам известные протоны и нейтроны. В свою очередь, частицы из 2 кварков, а именно одного кварка и одного антикварка, называются мезонами. Примерами мезонов являются пионы (?-мезоны) и каоны (К-мезоны).

Частицы, состоящие из кварков, называются адронами. Как отмечал в 2008 году российский физик Дмитрий Дьяконов в своей статье про БАК: «Слово «адрон» (от греческого «сильный») было придумано и введено в мировой обиход академиком Львом Борисовичем Окунем; оно обозначает сильновзаимодействующие элементарные частицы – протон, нейтрон и многие другие нестабильные частицы, а в широком смысле также и ядра».

Главным автором ставшей уже традиционной кварковой модели был американский физик, лауреат Нобелевской премии Гелл-Манн (Gell-Mann, 1964). В понимании, что все адроны состоят из 2 или 3 кварков, эта модель пребывала до 2003 года.

В 2003 году коллаборация Belle (the Belle Collaboration) обнаружила признаки того, что адрон может состоять и из четырех кварков. За последние годы физики нашли и несколько других частиц, которые получили название экзотических. Эти частицы часто содержали либо очарованный с-кварк и такой же антикварк, или b-кварк и его античастицу (b – от слова beauty (bottom)). Весной 2013 года международная корпорация BESIII, работающая на Пекинском электрон-позитронном коллайдере, сообщила о наблюдении экзотического адрона Z (3900).

В 2008 году признаки существования адрона Z (4430) обнаружила корпорация Belle в Японии. Большую роль в обнаружение Z-адрона и измерение его квантовых чисел внесли тогда физики-экспериментаторы из ИТЭФ, группа членкора РАН Павла Пахлова.

Теперь, благодаря данным из ЦЕРНа, удалось окончательно подтвердить существование такой частицы. 9 апреля коллаборация LHCb (Large Hadron Collider beauty) опубликовала статью, в которой приводятся важные доказательства существования этого экзотического адрона. Новая частица получила название Z (4330), так как имеет массу в 4430 МэВ, что примерно в четыре раза тяжелее протона. Есть основания утверждать, что она имеет отрицательный заряд. Буква Z означает, что она относится к особому, постоянному растущему семейству XYZ-мезонов.

 

Для этого открытия сотрудниками LHCb, самого маленького из четырех детекторов на БАКе, были проанализированы 25 тыс. случаев распада B-мезонов, отобранных из 180 триллионов протон-протонных столкновений на Большом адронном коллайдере. Как отмечается на сайте «Квантовые дневники» (Quantum Diaries), такая необыкновенно большая выборка позволила получить как бы «отпечатки пальцев» новой частицы. Было показано, что она состоит из четырех кварков: из очарованного, анти-очарованного кварков, нижнего кварка (d-кварка от слова down) и анти верхнего кварка (u-кварка от слова up).

В отличие от результата 2008 года, когда уровень достоверности (статическая значимость того, что данные свидетельствуют о существовании частицы, а не каких-то случайных флуктуациях) был в интервале 5,2 сигмы (стандартного отклонения), сейчас достигнут в интервале 13,9 сигмы. «Анализ данных, проведенных LHCb, показывает, что это, на самом деле, новая частица, а не какая-то флуктуация данных», – заявил спикер коллаборации Пиерлуиджи Кампана (Pierluigi Campana).

Полин Ганьон (Pauline Gagnon) в своей статье в «Квантовых дневниках» подчеркивает, что теоретикам теперь предстоит разработать модель, которая описывает новые частицы. «Являются ли они примерами тетракварков, связанных состоянием четырех кварков, или некой особой комбинацией двух очарованных мезонов, содержащих хотя бы один очарованный кварк? Этот вопрос пока открыт».

Стоит отметить, что в 1997 году петербургский физик Дьяконов с коллегами из ПИЯФ предположил существование пентакварков – адронов с массой 1540 МэВ, состоящих уже из ПЯТИ кварков, а точнее трех кварков и одной кварк-антикварковой пары. Многочисленные эксперименты пока склонили физиков к мнению, что такой частицы нет, но поиски продолжаются.

В 2010 году Дмитрий Дьяконов сделал новое предсказание о существовании нового класса пентакварков. Как пишет в своей статье коллега Дьяконова, его соавтор, физик Виктор Петров: «на сей раз речь идет о 15 экзотических частицах, легчайшими из которых являются дублет ?с-барионов, кварковый состав которых cuud bar{s}, а также cudd bar{s}. Они должны быть очень легкими: их масса была оценена в 2420 МэВ».

Большие надежды на поиски новых экзотических частиц возлагаются на Большой адронный коллайдер – на котором сталкиваются адроны (протоны), энергия которых в 2015 году вырастет почти в 2 раза с 8 ТэВ до 13 ТэВ. С февраля 2013 года на нем идет модернизация и замена оборудования, что позволит повысить светимость и энергию коллайдера. Как отметил в интервью «Полит.ру» гендиректор ЦЕРНа Рольф-Дитер Хойер он возлагает на новую машину большие надежды, ведь  «стандартная модель – это фантастика. Но за пределами Стандартной модели – еще большая фантастика».

 

Наталия Демина