Новый «тяжёлый протон» на LHC: как две «тяжёлых» кварковые гири потянули физику вперёд

На Большом адронном коллайдере в ЦЕРН снова поймали новую частицу — на этот раз «тяжёлого родственника» протона. Эта субатомная частица содержит два чарм‑кварка и один d‑кварк и примерно в четыре раза тяжелее обычного протона, из которых состоит ядро любого атома.

Открытие стало возможным благодаря модернизации детектора LHCb: усовершенствованная система позволила увидеть редкий сигнал всего за год набора данных, тогда как раньше физики безуспешно охотились на него почти десятилетие. Новая частица относится к семейству барионов — частиц из трёх кварков, как и знакомый всем протон, но необычное сочетание двух тяжёлых чарм‑кварков делает её уникальной лабораторией для изучения сильного взаимодействия — самой мощной, но и самой малоинтуитивной фундаментальной силы природы.

Почему вообще важны такие «экзотические» частицы

На первый взгляд может показаться, что очередной «кирпичик материи» мало что меняет в нашей повседневной жизни. Однако для физиков это важный тест Стандартной модели — основной теории, описывающей элементарные частицы и силы (кроме гравитации). Теория предсказывает целые «семейства» частиц с разными комбинациями кварков, но экспериментально далеко не все из них были подтверждены. Барионы с двумя тяжёлыми кварками — особенно интересный класс: в них сильное взаимодействие работает в режиме, который невозможно воспроизвести в обычных протонах и нейтронах. Сравнивая точную массу и время жизни новой частицы с теоретическими расчетами, физики проверяют, насколько хорошо они понимают, как кварки «склеиваются» глюонами и образуют сложные структуры.

Что именно нашли физики в эксперименте LHCb

В экспериментах LHCb сталкивают пучки протонов с огромной энергией, а затем регистрируют «обломки» — десятки и сотни частиц, рождающихся в каждом столкновении. Среди этого хаоса нужно найти редкий набор следов и вспышек в детекторах, соответствующий распаду искомой частицы. Новый барион распадается цепочкой промежуточных частиц, которую можно восстановить по следам заряженных частиц и по времени пролёта. Модернизированный детектор лучше отделяет сигнал от фона, поэтому физики смогли с высокой статистической значимостью увидеть пик в распределении массы — «подпись» новой частицы. Его положение показывает массу около 3620 МэВ, что примерно в четыре раза тяжелее протона и согласуется с теоретическими предсказаниями для такого бариона.

Что это говорит о Стандартной модели

Пока всё, что видят физики на LHC, вписывается в рамки Стандартной модели, и новый барион — не исключение. Сам факт совпадения измеренной массы с расчётами укрепляет доверие к квантовой хромодинамике — разделу теории, описывающему сильное взаимодействие. Однако важнее то, что теперь у теоретиков появляется новая «лаборатория»: на основе этой частицы и её возможных «родственников» можно тестировать более тонкие эффекты, связанные с конфайнментом кварков и возбуждёнными состояниями барионов. Некоторые расширения Стандартной модели предсказывают небольшие отклонения в спектре масс или временах распада таких тяжёлых частиц, и именно в этой области эксперименты вроде LHCb особенно чувствительны. Уже сейчас участники коллаборации говорят, что новый барион — лишь «первый из многих ожидаемых инсайтов» после апгрейда детектора, так что можно ждать целой череды открытий в ближайшие годы.