Група LHCb відкрила новий збуджений стан чармонію в 3 (1D) - частинку, яка складається з c-кварка і с-антикварка, має масу 3843 мегаелектронвольт і спин, що дорівнює трьом. Для цього вчені проаналізували дані про народження D + D ‑ і D0D̅0 -мезонів, зібрані на Великому адронному колайдері між 2011 і 2018 роком. Про відкриття вчені розповіли на конференції, коротко про нього повідомляє прес-служба Інституту ядерної фізики (ІЯФ) Сибірського відділення РАН.
Частинку, яка складається з кварку і антикварка одного і того ж аромату, фізики називають кварконієм. Як правило, цей термін використовують тільки для пов'язаних станів важких кварків - чармонію (c-кварк плюс c-антикварк) і боттомонію (b-кварк плюс b-антикварк), тому що фізичні стани легких кварків (u, d, s) в експерименті завжди спостерігаються в суперпозиції (грубо кажучи, «змішуються» один з одним). Вперше вчені виявили кварконій більше сорока років тому - в 1974 році відразу дві групи фізиків відкрили J/лід-мезон, який являв собою збуджений стан чармонію. В даний час фізикам відомо більше десяти частинок, що складаються з c-кварка і c-антикварка (і приблизно стільки ж для b-кварків і антикварків).
На перший погляд, така різноманітність здається неприродною - адже всі такі частинки складаються з одних і тих же кварків. Тим не менш, важливо пам'ятати, що властивості мезонів і адронів залежать не стільки від їх «складу», скільки від того, в якому порядку кварки розташовані всередині частинки. Наприклад, якщо «відсунути» кварки один від одного, енергія їх зв'язку зросте, а разом з нею збільшиться маса частинки. Аналогічним чином можна змінити спин, парність та інші квантові числа. Наприклад, основний стан чармонію - ^ c (1S) -мезон, - має масу близько 2,98 гігаелектронвольт і нульовий спин, а перший збуджений стан - J/лід-мезон - «важить» 3,096 гігаелектронвольт і має одиничний спин. Поведінка збудженого стану - наприклад, канали і ймовірності розпаду - відрізняється від поведінки вихідної частинки, тому фізики розглядають збуджені стани як самостійні частинки. На жаль, далеко не всі статки, які пророкує Стандартна модель, спостерігалися на практиці. У той же час, щоб перевірити передбачення теорії і, можливо, знайти багатообіцяючі відхилення, потрібно закрити всі її «прогалини».
Група LHCb виявила ще один збуджений стан чармонію - частинку в 3 (1D), - тим самим підтвердивши теоретичні передбачення. Маса нової частинки приблизно дорівнює 3843-1 мегаелектронвольт, а ширина розпаду - всього 3-1 мегаелектронвольти. Ця ширина приблизно в 10-20 разів менше характерної ширини розпаду інших збуджених станів чармонію, однак вона збігається з теоретичними передбаченнями для стану зі спином 3. Тому вчені вважають, що виявлена частинка дійсно є статком в 3 (1D). Втім, остаточно це підтвердити вдасться тільки після вимірювання її квантових чисел.
Щоб розгледіти нову частинку, вчені стикали на Великому адронному колайдері протони і спостерігали за народженням пар D + D ‑ і D0D̅0 -мезонів - частинок, які складаються з одного c-кварка і u- або d-антикварка (або відповідних античастинок). Поступово залежно від частоти зіткнень від інваріантної маси пар мезонів (як кажуть фізики, у спектрі) утворився «горбик», який вказував на нову частинку з масою 3843 мегаелектронвольти. Після цього вчені ще півроку перевіряли дані, перш ніж розповісти про них на конференції (втім, точні дані про статистичну значущість відкриття в доповіді не наводяться, хоча доповідач стверджує, що вона досить велика). Докладніше про цей процес можна прочитати в статті «Анатомія однієї новини». Раніше такі розпади не вдавалося виявити, оскільки спостережуваний сигнал досить слабкий, і зібраних даних було недостатньо. У цьому аналізі вчені використовували дані, зібрані детектором LHCb за період між 2011 і 2018 роком.
Про те, як вчені шукають «нову фізику» за допомогою детектора LHCb, можна прочитати в інтерв'ю Гая Вілкінсона і Рольфа Лінднера - офіційного представника і технічного директора проекту. Як дослідники аналізують великі обсяги даних, щоб знайти серед них розпади нових частинок, розповідає матеріал «Копальня нуль і одиниць». А про останні відкриття Великого адронного коллайдера можна дізнатися з рубрики «Другий сезон коллайдера». Зокрема, в цій рубриці розповідається, як вчені відкрили тетракварки і пентакварки, знайшли двічі зачарований баріон і побачили розсіяння фотона на фотоні.