Физики из коллаборации LHCb Большого адронного коллайдера открыли семейство из четырех элементарных частиц — тетракварков X(4140), X(4274), X(4500) и X(4700). Каждая из них состоит из двух кварк-антикварковых пар: очарованной и странной. Несмотря на одинаковый состав, ученые отмечают, что частицы обладают разными массами и внутренним строением. Находке посвящены два препринта, опубликованных 1, 2 на сервере arXiv.org, краткое изложение доступно на сайте коллаборации.

Большая часть окружающей нас материи состоит из атомов, которые, в свою очередь можно поделить на электроны, нейтроны и протоны. В отличие от электронов, протоны и нейтроны можно разложить на другие фундаментальные составляющие — тройки из кварков. Эти фундаментальные частицы — составляющие адронной материи. Как правило их можно встретить в виде пар (в мезонах) и троек (в барионах — например, протонах и нейтронах), однако существуют и более экзотические состояния, в которых насчитывается четыре и даже пять кварков. Поодиночке кварки никогда не встречаются — это запрещено явлением конфайнмента.

Интерпретация распределения энергий рожденных частиц. Четыре пика внизу графика соответствуют четырем обнаруженным тетракваркам. LHCb / CERN

Существуют шесть типов или ароматов кварков — нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и топ-кварк (истинный). Кроме того, у каждого типа кварков есть соответствующий ему антикварк. Эти характеристики определяют то, как частицы вступают в слабые взаимодействия.

Состояния, в состав которых входят четыре кварка, называются тетракварками. Первые свидетельства их существования были найдены лишь в 2003 году. Частицы привлекают внимание физиков, поскольку их внутреннее устройство до сих пор не до конца изучено. Новое семейство тетракварков, кроме того, еще и обладает необычным свойством — это первые экзотические частицы, в состав которых не входят «легкие» кварки — верхний и нижний. 

Намеки на существование частиц были найдены авторами в статистике протон-протонных столкновений, собранной LHCb за первые четыре года работы коллайдера. На существование тетракварков указал распад прелестного B⁺-мезона на J/ψ, φ и K⁺-мезоны — для этого авторы искали пики в шестимерном фазовом пространстве. Частицы проявлялись в виде пиков на диаграмме распределения суммарной энергии родившихся мезонов. Тетракварки образовывались в качестве промежуточных состояний между мезонами. 

Первый из тетракварков, X(4140) был обнаружен коллаборацией CDF еще в 2009 году на Тэватроне, но лишь сейчас физикам из LHCb удалось определить его внутренние параметры. Три остальные частицы были обнаружены впервые. Статистическая значимость находки всех четырех частиц превышает требуемые в физике элементарных частиц пять сигма, квантовые числа состояний были определены со значимостью по меньшей мере в четыре сигма. 

По словам физиков, кварковый состав новых состояний (очарованные кварк и антикварк и странные кварк и антикварк) может указывать на то, что внутренние связи в тетракварках могут быть сильнее, чем в других известных экзотических частицах. Внутренняя структура тетракварков, как отмечают ученые, может отвечать паре мезон-антимезон, каждый из которых состоит из очарованного и странного кварков. Эти структуры обмениваются между собой кварками, в результате чего и образуются J/ψ и φ-мезоны, которые затем фиксируются детекторами.

Ранее мы сообщали об открытии четырехароматного кварка в архивных данных коллаборации DZero Тэватрона. В его состав входят кварки четырех разных ароматов, в то время, как в частицах нового семейства лишь два разных квантовых аромата. Год назад LHCb сообщила об открытии первых пентакварковых состояний. 

Автор: Владимир Королёв