Физики коллаборации DZero (Национальная ускорительная лаборатория имени Энико Ферми) сообщают об открытии новой элементарной частицы — тетракварка X(5568). Это первая из известных элементарных частиц, содержащая четыре кварка с различными квантовыми ароматами: верхний (u), нижний (d), странный (s) и прелестный (b). Статья подана для публикации в журнал Physical Review Letters, ее препринт доступен на сайте arXiv.org

Частица была открыта при анализе архивных данных экспериментов по сталкиванию протонов и антипротонов в Теватроне — ускорителе элементарных частиц, закрытом в 2011 году. Коллаборация искала промежуточные экзотические частицы, распадающиеся определенным образом: на Bs-мезон и пи-мезон. Как и любые другие мезоны, эти частицы состоят из пар кварк-антикварк, первый из них содержит в себе странный кварк и прелестный антикварк, второй — верхний и нижний кварки и антикварки в разных сочетаниях. 

Распад тетракварка X(5568), обнаруженный коллаборацией DZero в архивных данных Теватрона. Изображение: DZero Collaboration

Физики анализировали кривую распределения масс Bs-мезонов и пи-мезонов, образовывавшихся в результате протон-антипротонных столкновений. В данных, собранных за 2002–2011 годы работы коллайдера, ученые обнаружили явный избыток частиц с суммарной массой 5 568 мегаэлектронвольт. Статистическая значимость события составляет 5,1 сигма, иначе говоря, вероятность того, что наблюдаемый пик лишь флуктуация фонового сигнала составляет 0,000017 процента.

Распределение масс образующихся в эксперименте Bs-мезона и пи-мезона. Изображение: DZero Collaboration

По словам представителя коллаборации, Дмитрия Денисова, поначалу физики не поверили, что открыли новую частицу. Лишь после многочисленных проверок стало ясно, что наблюдаемый сигнал не может быть объяснен какими-либо фоновыми или другими известными процессами. Он ясно свидетельствовал о новой частице. 

На то, что частица-прародитель содержит в себе четыре различных кварка указывает характер пика. По словам ученых, его большая ширина говорит о том, что распад управляется сильным взаимодействием. Такие процессы сохраняют аромат участвующих частиц, а продукты распада содержат в себе четыре разных типа кварков.

Структура нового тетракварка пока неизвестна: он может представлять собой либо две связанные между собой пары кварков, либо же все четыре кварка могут быть тесно сцеплены друг с другом. Первый случай напоминает собой необычную молекулу, две части которой вращаются друг вокруг друга.

Чаще всего при исследовании элементарных частиц физики сталкиваются с адронами, содержащими два (мезоны) или три (барионы) кварка. Однако ни один закон природы напрямую не запрещает существование иных систем, содержащих большее количество кварков. Впервые свидетельства существования тетракварков были обнаружены в 2003 году, в японском эксперименте Belle. Впоследствии открытие было подтверждено коллаборацией LHCb. В 2015 году физики CERN сообщили об открытии пентакварка — частицы, содержавшей пять кварков. Однако, все подтвержденные на сегодняшний день частицы содержат в себе кварки не более чем трех ароматов. Новая частица — первая в своем роде.

Автор: Владимир Королёв