Наблюдаван е нов възбуден красив странен барион при експеримент в ЦЕРН

Наскоро ЦЕРН обяви откриването на нова частица в Големия адронен колайдер (LHC), с която стават общо 59 нови частици, освен известния Хигс бозон, откакто това най-голямо научно съоръжение започна работа през 2009 г.

Вълнуващо е, че докато съществуването на някои от тези нови частици е предсказано въз основа на утвърдените физични теории, други частици бяха изненада.

Целта на LHC е да изследва структурата на материята на най-късите разстояния и най-високите енергии, изследвани някога в лаборатория -  проверка на нашата най-добра теория за природата: Стандартният модел на физиката на частиците. LHC позволи на учените да открият Хигс бозона, последното липсващо парче от модела. Въпреки това теорията все още е далеч от пълното разбиране. Сега учените са открили неизвестна досега форма на барион с уникална конфигурация на кварките вътре в частицата.

Барионите и тяхното "лепило"

Квантовата хромодинамика (КХД) е частта от Стандартния модел на физиката на частиците, която описва силното взаимодействие. При относително ниски енергии, кварковият модел е изключително успешен ефективен метод за описване на композитни частици (адрони) като конфигурации на взаимодействащи кварки. Съществуват различни възможности за комбиниране на кварки, например двойки кварки
(кварк-антикварк), наречени мезони или комбинацията от три кварка, наречени бариони. Познат пример за барион са протонът и неутронът,
които заедно с електрона образуват цялата видима материя във Вселената. Тези частици, състоящи се от два горни (up) кварка плюс
един долен (down) кварк за протона или съответно един горен и два долни кварка в неутрона, имат много сходни, но все пак леко различни маси.

Бариони		Мезони
Барионите ( βαρύς -тежки) се състоят от три кварки от трите цвята (или антицвята), образувайки безцветна комбинация. Съществуват около 120 типа бариони, сред тях са ядрените частици (нуклони) - протоните и неутроните. Бариони са и многочислените хиперони - по-тежки и нестабилни частици, получени в последните години в ускорителите на елементарни частици. Имат полуцяло число спин: 1/2, 3/2. Те са фермиони.		Мезоните се състоят от един кварк и един антикварк с противоположни цветове. Има около 140 типа мезони. Мезони са пионите (π-мезони) и каоните (K-мезони) и други . Спинът им е цяло число 0, 1. Те са бозони.

^{Днес са известни 6 различни "класа", наричани - "аромати"(flavor) кварки, чиито свойства са дадени в таблицата. В допълнение, за калибровъчно описание за силните взаимодействия се въвежда и допълнителна характеристика, наречена "цвят". За да се разграничат трите вида, в които се въплъщава всеки от 6-те кварки, се използва термина "цвят". Разбира се, кварките нямат видим цвят. Цвят или цветен заряд е по-сложен аналог на спина, който характеризира взаимодействието между кварки и глуони. Името на тази характеристика е избрано по аналогия с оптиката, където червения, зеления и синия цвят когато смесят дават бял. Работата е там е, че в рамките на силните взаимодействия е възможно или привличането на две частици с противоположен цвят (цвят и антицвят) или три частици с определена комбинация от цветове, чиято сума дава "бял" цвят, естествено "квантов цвят", а не видим.}

^{Всеки кварк има един от трите цвята, а глуоните - един от 8 цвята или антицвята.}

Според КХД кварките са като свързани с глуонни пружини. Илюстрация: spontaneoussymmetry.com

Кварките са свързани от силното взаимодействие като обменят частици, наречени глуони. Глуоните са аналози на по-познатия фотон, частицата светлина и носител на електромагнитната сила, както глуоните са носители на силното взаимодействие и също като фотоните са бозони.

Но силното взаимодействие се държи много по-различно от електромагнетизма. Докато електромагнитната сила става по-слаба, когато се раздалечават две заредени частици, силното взаимодействие всъщност става по-силна, когато се раздалечават два кварка. Не случайно името глуони идва от английската дума за лепило (glue).

В резултат на това кварките са завинаги затворени вътре в адроните. Освен ако, разбира се, не бъдат разбити с невероятна скорост, както правят учените в ЦЕРН.

В зависимост от специфичната конфигурация на кварките вътре в бариона, частиците с един и същ кварков състав могат да имат различни маси и квантови числа поради енергията на спиново, радиално или орбитално възбуждане. Тези частици се наричат ​​резонанси. И повечето от известните частици са резонанси. Животът на резонансите е 10^–22–10^–24 секунди, така че те не могат да бъдат наблюдавани директно под формата на следи в детекторите, а се определят като пикове във вторичното производство на частици.

Един от тези резонанси е открит за първи път в новото изследване в разпад на „прост“ Ξb^– барион и два пиона.

Семейството на Кси бе минус барионите

Освен известните на всеки бариони - протоните и неутроните - съществуватсъществуват много други и сред тях е и семейството на новата частица Ξb^- барионите („кси бе минус барион“). Наричат ги каскадни частици поради нестабилното им състояние; те бързо се разлагат на по-леки частици чрез верига от разпади. Както всички конвенционални бариони, те съдържат три кварка - от горен и долен кварк, както и странен (strange) и красив (beauty) кварк. Тези частици живеят за кратко време и не присъстват в стабилната материя, която ни заобикаля, но могат да бъдат получени в експериментите по физика на високите енергии в Големия адронен колайдер.

_{Съдържанието на кварките в семейство е идентично, но начинът, по който са конфигурирани и взаимодействат кварките в частицата, е различен. Тази енергия на взаимодействие прави масите на тези възбудени състояния различни (виж схемата по-горе). Няколко от тези резонанси вече са открити в LHC с маси около 5950 или 6227 MeV. Един от тях е Ξ b^*0 (M = 5952 MeV), наблюдаван в детектора CMS при разпадането до „прост“ Ξ b ^- и положителен пион.}

Сега за първи път е открито орбитално възбудено състояние (резонанс) Ξb (6100) - или красиво странен барион. Той се разлага в основно състояние Ξb^–("кси бе минус барион") и два пи-мезона с противоположни заряди. В работата са използвани данните за протон-протонни сблъсъци, събрани на Големия адронен колайдер през 2016–2018 г.

_{Събитие, при което кандидатът за възбудено състояние (резонанс) Ξb ** ^- се разпада на Ξb^- и два пиона. Двете зелени линии показват двата пиона с противоположен знак. Ξb^- се разпада на J/ѱ, Λ и K^- частици. J/ѱ се разпада на два мюона, обозначени с червените линии. Λ се разпада на протон и пион, обозначени със сините и циановите линии. K^- се обозначава с жълтата линия. Кредит: CERN}

В новия анализ важната част е надеждната реконструкция на Ξ b ^-, частицата, до която Ξ b ** - се разпада. Ξ b ^- се идентифицира в два подписа, които разчитат на J/ѱ мезона: J/ѱ плюс Ξ ^- барион или J/ѱ плюс Λ барион плюс зареден каон. Подписът е, че тези разпадания се случват в каскади, затова и Ξ барионите се наричат и каскадни бариони (както споменахме по-рано): J/ѱ се разпада на двойка мюони, детектирани в мюонните камери. За разлика от него, Ξ ^- (s, s, d) се разпада на Λ барион (u, s, d) плюс зареден пион и този Λ барион най-накрая се разпада в протон и зареден пион.

Протоните, мюоните и заредените каони и пиони оставят извити следи в CMS тракера. В магнитното поле, създадено от свръхпроводящия соленоид, на който е наречен експеримент CMS (Compact Muon Solenoid), заредените частици променят посоката си. Адроните като Ξ b ^- , Ξ ^- и Λ съществуват достатъчно дълго време, за да създадат пикове на разпад, които са значително изместени от мястото, където са произведени, както е показано на долните схеми. Тези пикове на разпадане могат да бъдат идентифицирани с много точното проследяване на детекторите на експеримента CMS.

  _{Ξb^- (6100) → Ξ b^- π⁺ π^- топология на разпада, където Ξ b^- се разпада до J/ψ и Ξ ^- . Червеният кръг показва зоната на протон-протонния сблъсък и местоположението на първичния връх, сините кръгове са разположението на вторичните върхове, където се разпадат Ξ b ^-, J/ѱ, Ξ ^- и Λ адроните. Следите от заредени частици са извити в присъствието на магнитното поле на детектора CMS. Кредит: CERN}

А по-долу е друга верига на разпадане на Ξ b **.

 _{Ξb^- (6100) → Ξ b^- π⁺ π^- топология на разпада, където Ξ b ^- се разпада до J/ψ , Λ , K ^-. Червеният кръг показва зоната на протон-протонния сблъсък и местоположението на първичния връх, сините кръгове са разположението на вторичните върхове, където се разпадат Ξ b^- , J/ѱ и Λ адрони. Следите от заредени частици са извити в присъствието на магнитното поле на детектора CMS. Кредит: CERN}

От друга страна, възбудените адрони се очаква да се разпаднат веднага в точката на сблъсъка. За да се реконструира Ξ b ** - кандидатите, реконструираният Ξ b ^- барион се комбинира с два пиона с противоположен знак, произхождащи от първичния пик. Когато се изследват избраните Ξ b^- π⁺ π^- комбинации, се наблюдава ясен тесен пик в спектъра на инвариантните маси, както е показано на графиката по-долу. Този пик съответства на първото наблюдение на нова Ξ b ** ^- частица с маса от около 6100 MeV.

_{Инвариантно разпределение на масата с пик при масата на новооткритата частица. Масово разпределение на избраните Ξ b^- π⁺ π^- Кредит: CERN}

Силнотото взаимодействие е отговорно за взаимодействието между кварките и може да се използва за предсказване на начина, по който се образуват барионите. Новият барион дава съществен принос за нашето разбиране на силнотото взаимодействие . Има много различни теоретични модели и прогнози, изчисляващи свойствата (маса, естествен размер, квантови числа, режими на разпадане и т.н.) на възбудените Ξ b състояния.

"Спектроскопията на адрони, съдържащи b кварки като цяло, и особено семейството на Ξb барионите, все още крие много тайни. По време на третото пускане на LHC Run 3, което трябва да започне в началото на 2022 г., ще бъде събрана нова голяма извадка от статистически данни. А десет пъти повече данни ще бъдат събрани, когато бъдещият LHC с висока мощност ще започне работа през 2027 г. Тези бъдещи LHC пробези ще ни позволят не само да търсим новите Ξb състояния и да потвърждаваме наблюдаваните до момента, но също така да извършваме измервания на техните свойства, което е от решаващо значение за идентифицирането на мястото им в рамките на модела на съставните кварки", пишат в прессъобщение изследователите от ЦЕРН.

Справка:  Observation of a new excited beauty strange baryon decaying to Ξ−bπ+π−
CMS Collaboration, inks: e-print arXiv:2102.04524

Източник:

OBSERVATION OF A NEW EXCITED BEAUTIFUL STRANGE BARYON AT THE CMS EXPERIMENT, CERN

Още по темата

22/02/2021

Физика

Гравитацията може да изиграе малка, но важна роля в микромащаба на елементарните частици

03/07/2020

Физика

Откриха нова екзотична частица в Големия адронов колайдер

15/09/2022

Физика

На днешната дата е роден основателят на теорията за кварките Мъри Гел-Ман

10/06/2019

Физика

Странният пентакварк се оказа нов вид субатомна „молекула“