Ученые НГУ и ИЯФ обнаружили новую частицу, которая уточнит кварковую модель

Новая частица ψ3(1D) была обнаружена в распаде на D⁰ анти-D⁰ и D+D-. Это стало возможно именно сейчас благодаря тому, что в эксперименте на LHCb было набрано необходимое количество статистики.

— В эксперименте LHCb отобрали набор D+D- и D⁰ анти-D⁰ и построили инвариантную массу — энергию частиц в системе центра масс. Далее при анализе спектра инвариантных масс был обнаружен сигнал при энергии 3842 МэВ с достаточно маленькой шириной, — пояснил старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. К. Будкера СО РАН, заведующий кафедрой физико-технической информатики Физического факультета НГУ, сотрудник коллаборации LHCb, кандидат физико-математических наук Павел Кроковный.

Результаты исследований представлены на Международном совещании по электрон-позитронным столкновениям в области энергии от Phi до Psi, которое проходит в ИЯФ СО РАН с 25 февраля по 1 марта 2019 года.

Кварковая модель — часть Стандартной модели, описывающая сильные взаимодействия. В частности, она описывает возможные состояния c-кварков и анти-c-кварков (очарованных кварков и очарованных антикварков). Многие состояния (то есть частицы) кварковой модели уже наблюдались экспериментально, и их свойства определены с высокой точностью.

Связанным состоянием c-кварка и анти-c-кварка является чармоний, самым легким из которых считается джи-пси-мезон (J/ψ-мезон). С момента  открытия J/ψ-мезона (в 1974 году) было обнаружено достаточно много чармониев.

— Чармонии — очень большой класс частиц, среди которых известно более 20 состояний. Но в этом классе есть и белые пятна — частицы, которые предсказываются моделью, но не наблюдаются в эксперименте. Много лет их искали, но не находили, — рассказывает сотрудник коллаборации LHCb, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики, кандидат физико-математических наук Иван Беляев. — Сигнал от частицы, который мы увидели, обладал удивительным свойством: он был очень узким, хотя для частиц с данной массой типичная ширина должна была быть в 10—20 раз больше. В течение полугода мы проверяли, не ошиблись ли — это первое, что должен сделать физик, когда получает такую красивую картинку. Но теперь уже точно есть повод для радости: мы увидели ту частицу, которою долгое время не удавалось обнаружить.

Наблюдаемая масса и узкая ширина действительно позволяют говорить об обнаружении нового состояния чармония со спином 3, которое ранее не наблюдалось ни в одном эксперименте. Однако массы и ширины недостаточно, чтобы идентифицировать частицу полностью, поэтому необходимо продолжать набор статистики.

Павел Кроковный отметил, что в физике высоких энергий принято верифицировать результаты в независимых экспериментах на других установках. Параллельно с экспериментами на LHCb, где изучаются аннигиляции при протон-протонных столкновениях, проверить вероятность рождения ψ3(1D) можно также в эксперименте Belle II в Японии, в котором происходит столкновение электронов и позитронов.

— Мы ждем, что эксперимент Belle II, в котором одну из главных ролей играет группа из Будкеровского института, не увидит ψ3(1D). Но для нас это будет положительным результатом. Дело в том, что частицы со спином 3 и не должны рождаться в эксперименте с электрон-позитронным столкновением. Отсутствие ψ3(1D) будет означать, что мы на LHCb видим ту самую частицу. 11 марта на Belle II будет начат набор данных на модернизированном коллайдере SuperKEKb, — добавил Иван Беляев.

Помимо участия в международных коллаборациях LHCb и Belle II, специалисты ИЯФ СО РАН и НГУ проводят и собственные исследования в области физики элементарных частиц на ускорительных комплексах ВЭПП-2000 и ВЭПП-4М. Например, ранее на детекторе КЕДР с самой лучшей в мире точностью была измерена масса J/ψ-мезона. Кроме того, идет интенсивная работа над новым будущим проектом Супер-C-Тау-фабрики, который позволит вести исследования физики чармониев на качественно новом уровне.