Фізики на CERN вперше виявили частинку з незвичним поєднанням кварків: вона складається з двох тяжких чарівних кварків (charm) та легкого верхнього кварка (up), і двічі позитивно заряджена. Існування таких баріонів з двома важкими та одним легким кварками теоретично передбачали вже давно, але тільки тепер їхнє існування вдалося довести за допомогою детектора LHCb (Large Hadron Collider beauty), розробленого в межах Великого андронного колайдера (ВАК). Незвична комбінація кварків надає цінні свідчення для експертів у галузі фізики елементарних частин.
Частинка складається з двох тяжких чарівних кварків (charm) та легкого верхнього кварка (up). Зображення: CERN.
Більшість з-поміж складових матерії становлять баріони – частинки з трьох кварків. У протонах та нейтронах, наприклад, комбінуються два найлегші кварки – верхній і нижній. Але є й чотири інші, важкі види. На підставі цього можна припустити, що й вони присутні в баріонах. Хоч дотепер у прискорювачі частинок фізики не продукували ні екзотичних частинок із чотирма, п’ятьма або шістьма кварками, ні баріонів із важкими кварками, що на диво рідкісні (декотрі з дотепер відомих варіантів містять щонайбільше один важкий кварк).
Та нещодавно на CERN фізики вперше виявили баріон з двома важкими кварками. Він містить водночас два чарівні кварки й один верхній. «Існування таких баріонів із подвійними кварками вважали можливим із 70-х рр. ХХ століття», – пояснюють учені. Проте всі попередні спроби спіймати ці частинки закінчувалися невдачею. Аж донині.
«Це вперше, коли однозначно виявили таку частинку», – йдеться в повідомленні CERN. Баріон, який назвали «Ξcc++», науковці виявили завдяки детекторові LHCb, що на Великому андронному колайдері (ВАК). У даних розпаду другого життєвого циклу, коли стикалися протони з енергією 13 тераелектронвольт, на кривій проявлявся помітний горб. Причиною цього відхилення були продукти розпаду баріонів, пояснили науковці.
Нова частинка має масу 3.621 мегаелектронвольт. Тобто вона приблизно вчетверо важча, ніж протон. Причина цього – два тяжкі чарівні кварки, кожен з яких важить 1,275 мегаелектронвольт. Як і протон, новий баріон позитивно заряджений, інформують учені. Але він має подвійний елементарний заряд, натомість протон – просто позитивний.
Саме це і допомогло фізикам відкрити частинку. Адже вчені пояснили: у детекторі баріон «Ξcc++» летить відносно далеко, а вже потім розпадається. «Цей статус збігається з повільнішим розпадом, що відбувається під дією слабкої взаємодії, яку й очікували спостерегти», – інформують учені.
Особливо захоплює те, що неоднакова комбінація кварків нового баріона надає можливість поглянути під іншим кутом на природу таких частинок та їхню взаємодію. Вперше фізика елементарних частинок змогли з’ясувати, як присутність водночас двох важких кварків впливає на поведінку частинок.
Пік активності, зображений LHCb, видає існування баріона, який складається з двох чарівних кварків. Зображення: CERN/ LHCb-Kollaboration.
«В інших баріонах кварки здійснюють складний танець один навколо одного, – пояснив Ґай Вілкінсон (Guy Wilkinson) зі спільноти LHCb. – Натомість ми вважаємо, що баріони з подвійною масою поводяться як подвійна планетарна система: обидва важкі кварки облітають один одного, натомість легший кварк кружляє навколо подвійної системи». Свідчення про їхню поведінку фізики очікують отримати після детальнішого аналізу тривалості та механізмів розпаду.
«Баріон з двома важкими кварками цікавий, бо надає нам унікальний інструмент, аби більше довідатися про квантову хромодинаміку», – пояснив Джованні Пассалева (Giovanni Passaleva), речник спільноти LHCb. Квантова хромодинаміка описує ефекти сильної взаємодії, одної з чотирьох фундаментальних сил фізики. Це сила, що, зокрема, втримує разом атомне ядро.
Нововиявлений баріон із подвійним чарівним кварком, імовірно, не єдиний в своєму роді: фізики припускають, що ціла «сім’я» баріонів із двома чарівними кварками може утворювати зв'язки зі щораз іншим третім кварком. Зовсім скоро ці частинки можуть виявити з допомогою ВАК. У всякому разі, дослідники LHCb-спільноти вже розпочали свою погоню за ними.
Ще на своє відкриття чекають баріони з двома іншим важкими кварками – зокрема: двома красивими або красивим і чарівним. Згідно з теорією, вони мали б існувати і принаймні на короткий час затримуватися в прискорювачі частинок.
CERN, 07/07/2017
Зреферувала Соломія Кривенко
13.07.2017