В ЦЕРН уточнили свойства загадочной частицы X(3872)
- 28.05.2020
Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила о новых данных, полученных при анализе частицы X(3872). Частица была обнаружена в 2003 г. в эксперименте Belle (KEK, Исследовательская организация ускорителей высоких энергий, Япония), но до сих пор специалистам не удалось прийти к единому мнению о кварковой структуре этой частицы. Участникам эксперимента LHCb удалось с лучшей в мире точностью измерить ширину и массу X(3872), а также сделать некоторые предположения о ее природе. Эксперименты на детекторе КЕДР электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-4М ИЯФ СО РАН помогли специалистам CERN с высокой точностью измерить один из параметров X(3872). Результаты опубликованы на сайте ЦЕРН.
X(3782) в эксперименте LHCb. Иллюстрация LHCb
«Как правило, если какая-то частица открыта, то уже через пару лет у специалистов появляется понимание, что она из себя представляет. Исследование X(3872) уникально в том смысле, что на протяжении уже семнадцати лет с ее открытия у нас все еще нет представления о ее внутренней структуре, – рассказал сотрудник коллаборации LHCb, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова НИЦ «Курчатовский институт» (ИТЭФ), кандидат физико-математических наук Иван Беляев. – Нам были известны лишь ее довольно необычные свойства. Во-первых, при большой массе X(3872) ее ширина настолько маленькая, что мы практически не видели ее, а, во-вторых, ее масса совпадает с суммой масс двух других частиц – D0 и D*0 (D-ноль-мезон и возбужденный D-ноль-мезон)».
Частица X(3872) очень интересна специалистам. Статья, в которой сообщалось об открытии этого состояния, высокоцитируемая, на нее дается свыше 1700 ссылок. Это самая цитируемая работа эксперимента Belle. При этом для подобных экспериментальных работ уже 500 ссылок считается рекордом. Среди других лидеров по цитируемости можно выделить также обнаружение бозона Хиггса и J/Ψ мезона (джи-пси мезона).
«Гипотез о природе частицы X(3872) довольно много, но основных три, – рассказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, участник коллаборации LHCb, доктор физико-математических наук Семен Эйдельман. – Например, гипотеза тетракварка предполагает, что частица состоит из c кварка и анти-c кварка, а также пары легких кварка и антикварка (u или d). Другая гипотеза описывает X(3872) как молекулу, то есть слабосвязанную пару очарованных мезон анти-мезонов (по аналогии с обычными молекулами). Третья гипотеза, которую выдвинул выдающийся российский и американский физик-теоретик Михаил Волошин (Университет Миннесоты), называется адрочармоний – состояние, в центре которого связанные c и анти c кварки, а вокруг них облако легких пи-мезонов, то есть совокупность легкого адрона и чармония». Семен Эйдельман пояснил, что сегодня физическое сообщество склоняется к мнению, что X(3872) – это и обычное связанное состояние c кварка и анти c кварка, и молекула одновременно. То есть хитрое гибридное состояние, в котором иногда проявляются молекулярные свойства, а иногда свойства c и анти-c кваркония.
Один из способов разобраться в том, является ли частица молекулой или нет – попытаться определить разницу между массой X(3872) и суммой масс D0 и D*0 мезонов, и понять, положительная она или отрицательная.
«Мы измерили с высокой точностью (в 3 – 4 раз лучшей, чем предыдущие эксперименты) массу, и впервые увидели, что частица X(3872) имеет конечную ширину, то есть ее ширина не ноль, как мы предполагали ранее, и вычислили разницу между массой X(3872) и суммой масс D0 и D*0 мезонов , – пояснил Иван Беляев. – Разница оказалась удивительно маленькой, меньше, чем погрешность измерения, так что мы пока не можем сказать положительная она или отрицательная. Но и это еще не все. Мы увидели, что ширина X(3872) значительно больше (почти в десять раз), чем рассчитанная разница между массами. Все это означает, что частица должна иметь нестандартную форму и описываться сложной функцией. Используя нетривиальный для области энергий эксперимента LHCb метод поиска полюсов комплексной амплитуды, нам удалось «пощупать» форму X(3872). С вероятностью в пределах двух сигм мы можем экспериментально сказать, что в этой частице есть большая компонента из связанных D0 и D*0 частиц, т.е. есть основания полагать, что X(3872) в большей степени является молекулой. Это очень важный результат, в получение которого внесли весомый вклад физики из России и в частности из ИТЭФ».
Как пояснил заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе, академик РАН Александр Бондарь, полученные результаты – важный шаг в исследовании такой замечательной и загадочной частицы, но впереди еще много работы для полного понимания природы данного явления. «Так как масса X(3872) очень близка к порогу рождения пары частиц, на которые в основном идет распад, это неизбежно приводит к сильному искажению функции, описывающей вероятность распада частицы в зависимости от полной энергии продуктов распада. Именно поэтому нельзя только по одному распаду в J/Ψ π+ π- (джи-пси пи+ пи-) однозначно определить ширину частицы. Требуется изучение и других каналов распада, чем мы сейчас и занимаемся. Сейчас целых три эксперимента могут помочь нам продвинуться в области исследований X(3872): эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере, BESIII в Пекине и Супер B фабрика в Японии», – рассказал Александр Бондарь.
При этом, именно благодаря тому, что один из каналов распада X(3872) – это J/Ψ π+π-, специалистам LHCb удалось повысить точность эксперимента. Дело в том, что такой же канал распада есть у частицы Ψ(2S) (пси(2S)) масса которой с лучшей в мире точностью измерена в ИЯФ СО РАН на детекторе КЕДР электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-4М. Она позволила откалибровать эксперимент LHCb с высокой точностью и минимизировать ошибку измерения. Если бы не было сверхточных измерений масс и ширин от эксперимента КЕДР, ошибка массы была бы примерно в два раза больше, а измерение ширины было бы практически невозможным.
«В начале 70-х. гг. XX в. в ИЯФ СО РАН был разработан и экспериментально опробован метод резонансной деполяризации, который позволил с высокой точностью измерить массы D мезонов (D заряженного и D нейтрального), фи-мезона, первого, второго и третьего ипсилон-мезонов, а также массы J/Ψ и Ψ(2S), – добавил Семен Эйдельман. – Массы J/Ψ и Ψ(2S), полученные в ИЯФ СО РАН, по точности превосходят другие измерения. При этом они используются для измерения масс любых частиц в области энергии выше 3 ГэВ. Массу нужной частицы можно измерить с высокой точностью по ее положению относительно масс J/Ψ и Ψ(2S)». По словам Семена Эйдельмана, сейчас на детекторе КЕДР идет анализ данных с целью измерения массы D+a и D0 с еще большей точностью, что поможет еще лучше понять природу X(3872).
В эксперименте LHCb участвуют семь человек из ИЯФ СО РАН и НГУ. Например, группа Института участвовала в открытии двух новых возбужденных состояний прелестного бариона, а также – нового состояния c-кварка и анти c-кварка – частицы ψ3(1D) и других. В данный момент при участии специалистов ведется несколько анализов по дальнейшему изучению X(3872). Важным вкладом научной группы ИЯФ СО РАН в эксперимент LHCb являются работы по модернизации калориметра (системы, измеряющей энергию и направления фотонов) установки. С 2010 г. коллаборация выпустила более 509 научных статей при участии сотрудников ИЯФ СО РАН.
ИТЭФ в эксперименте LHCb представляет группа из семи человек – меньше 1% состава коллаборации, при этом количество публикаций, подготовленных сотрудниками ИТЭФ, составляет 10% от всех статей коллаборации. Одна из задач, решением которой занимались специалисты ИТЭФ – создание программ обработки данных, которые повысили эффективность работы физиков. Реализованный инновационный подход позволяет получать первые результаты буквально одновременно с набором данных.