На експерименті LHCb Великого адронного колайдера виявили нову частинку - тетракварк Tcc +, який складається з двох зачарованих кварків і двох легких антикварків - верхнього і нижнього. Це перша надійно відкрита частинка такого типу, у складі якої є два зачарованих кварки замість пари кварк-антикварк, і найбільш стабільний зі знайдених екзотичних адронів. Про відкриття фізики заявили на онлайн-конференції Європейського фізичного товариства, коротко про результат повідомляється на сайті Інституту ядерної фізики імені Будкера, чиї вчені стали співавторами роботи.
Згідно з сучасними уявленнями, всі елементарні частинки - адрони, що сильно взаємодіють, складаються з шести типів кварків (і відповідних антикварків). При цьому в природі ми спостерігаємо баріони - системи з трьох кварків або трьох антикварків - до них належать протон і нейтрон, і мезони - пари кварк-антикварк - такі утворюються, наприклад, при взаємодії космічних променів з атмосферою Землі.
Однак у середині шістдесятих років, ще на етапі створення кваркової моделі, її автор, Маррі Гелл-Манн, передбачив існування і більш складних - екзотичних частинок за рахунок вбудовування кварк-антикваркових пар у баріонну або мезонну структуру (детальніше про це можна дізнатися в матеріалі «Вісімковий шлях Всесвіту»).
Через півстоліття після передбачення Гелл-Манна, в 2014 році в експерименті LHCb вчені вперше надійно поспостерігали таку частинку - тетракварк Z (4430) -. Хоча відтоді було виявлено вже два десятки екзотичних адронів, остаточно розібратися в їхньому пристрої фізикам поки не вдалося.
Тепер колаборація LHCb повідомила про відкриття нового тетракварка - Tcc +, у складі якого два c-кварки (порівняно важких, масою порядку гігаелектронвольту - можна порівняти з масою протона), а також u- і d-антикварки (масами на три порядку менше, в одиниці мегаелектронвольт). Такий склад відрізняє частинку від раніше відкритих тетракварків - до недавнього часу надійно спостерігалися частинки мали приховане чарівність, тобто в їх складі одночасно були c-кварк і c-антикварк.
Для реєстрації фізики використовували дані першого і другого сезонів роботи колайдера, які детектори збирали з 2011 по 2018 рік. Нову частинку дослідники шукали в протон-протонних зіткненнях за її розпадами на пару D0-мезонів і один +-мезон, з подальшим розпадом перших на + - і K--мезони.
В результаті фізикам вдалося зареєструвати близько двохсот подій народження Tcc + і підтвердити відкриття цієї частинки зі значимістю понад 10 стандартних відхилень (що практично виключає ймовірність випадкової флуктуації, яку дослідники б прийняли за сигнал).
Як відзначають автори, нова частинка має порівняно вузьку ширину розпаду - всього близько половини мегаелектронвольту при типових значеннях в десятки-сотні мегаелектронвольт - тобто в середньому Tcc + існує на порядки довше подібних кваркових структур і на сьогоднішній день стає найбільш стабільним з відомих екзотичних адронів. Є теоретичні підстави вважати, що ця особливість обумовлена саме наявністю у складі частинки двох важких кварків.
Ще одна цікава властивість частинки - близькість її маси до маси пари D-мезонів (одного нейтрального і одного збудженого позитивно зарядженого). При масі тетракварка майже в чотири гігаелектронвольти ця різниця, за попередніми розрахунками, склала всього десяті частки мегаелектронвольту - менше сотої частки відсотка, причому зі значимістю 4,3ºтетракварк легше пари D-мезонів. Причина такого збігу на даний момент не зрозуміла.
Крім того, продукти розпаду Tcc + порівняно легко детектувати - в сукупності зі стабільністю тетракварка це полегшить надалі точні вимірювання властивостей частинки.
Зокрема, дослідників цікавить внутрішня структура системи. На сьогоднішній день однозначно не ясно, чи є вона атомоподібною - тобто важкі кварки упаковані компактно в центрі і оточені хмаром з легких антикварків, чи більше нагадує молекулу - тобто представляє пару важких мезонів (у кожному - по одному c-кварку і одному легкому антикварку), які розділені відстанню приблизно в 10 разів більше власного розміру.
Також відкриття Tcc + допоможе в пошуках схожої частинки - тетракварка, який замість c-кварків містить пару b-кварків (ще більш важких). Очікується, що така частинка практично не зможе розпадатися за механізмами сильної взаємодії, так як її маса буде менше маси можливих продуктів розпаду - це змусить тетракварк розпадатися в слабкій взаємодії і збільшить час його життя ще на кілька порядків.
Раніше ми розповідали про те, як фізики виявили повністю зачарований тетракварк. Детальніше про те, як відкривають екзотичні адрони, можна дізнатися в нашому матеріалі «Тетракварки - це Дикий Захід».