В экспериментах на Большом адронном коллайдере обнаружено новое состояние боттомония

Детектор ATLAS, фиксирующий результаты проводимых на Большом адронном коллайдере протон-протонных столкновений, помог физикам обнаружить новое состояние боттомония и оценить его массу.

Боттомонием в физике частиц называют связанную систему, образованную боттом-кварком b и соответствующим ему антикварком b. За аналогичной системой, составленной из очарованного кварка и его антикварка, закреплено обозначение «чармоний», а семейство мезонов, объединяющее боттомоний и чармоний, называют кварконием.

Можно отметить, что кварконий во многом напоминает искусственно создаваемые атомы позитрония, состоящие из электрона и позитрона. Кварк и антикварк, подобно электрону и его античастице, притягиваются друг к другу, но только притяжение это вызвано не взаимодействием противоположных по знаку электрических зарядов, а сильным взаимодействием. Кроме того, у кваркония есть и своя спектроскопия: кварки могут по-разному располагаться относительно друг друга и образовывать разные уровни энергии.

По этим причинам для классификации уровней кваркония используется спектроскопическая система обозначений. Каждый уровень характеризуется суммарным спином кварка и антикварка S, орбитальным моментом движения кварков L, полным угловым моментом системы J = L + S и радиальным квантовым числом n_r. Чтобы сделать запись компактной, всю совокупность величин представляют в виде символа (n_r + 1)^{2S + 1}L_J. При этом суммарный спин S может равняться только нулю или единице (то есть сумма 2S + 1 может равняться единице или тройке), а орбитальный момент, который принимает значения из последовательности (0, 1, 2, 3, …), отмечают не цифрами, а буквенными символами (S, P, D, F, …), принятыми в атомной физике.

В интересующем нас случае боттомония специалисты дополнительно выделяют семейства ипсилон- и хи-мезонов, обозначаемых, разумеется, как Υ и Χ. Примерами первых могут служить состояния 1³S₁ [Υ(1S)] или 2³S₁ [Υ(2S)], а вторых — триплеты 1³P_J и 2³P_J, где J = 0, 1 или 2 [Χ_b(1P) и Χ_b(2P)]. Все эти состояния уже известны экспериментаторам, а их массы измерены с довольно высокой точностью.

Авторы новой работы обратили внимание на не наблюдавшийся ранее триплет Χ_b(3P), для которого теоретики предсказывали среднюю массу в 10,52 ГэВ и триплетные состояния, различающиеся по массе на 10–20 МэВ. На детекторе ATLAS поиски Χ_b(3P) можно проводить по распадам вида Χ_b → Υ(1S, 2S) + γ, где Υ(1S, 2S) преобразуется в пару μ⁺μ^–, а фотон — γ-квант — реконструируется либо за счёт прямого калориметрического измерения, либо за счёт преобразования в электрон-позитронную пару.

Обработав данные, собранные ATLAS в уходящем году и соответствующие интегральной светимости в 4,4 обратного фемтобарна, учёные отметили признаки образования всех упомянутых выше хи-мезонов: к уже известным распадам Χ_b(1Р, 2Р) добавились предполагаемые распады Χ_b(3P) → Υ(1S, 2S) + γ. Поскольку характеристики новых состояний отлично согласовались с расчётными, результаты интерпретировали как появление искомого триплета Χ_b(3P), измеренное значение центра масс которого составляет 10,539 ± 0,004 (стат.) ± 0,008 (сист.) ГэВ.

Стоит добавить, что рассмотренную нами связанную систему bb считают наиболее подходящей для изучения сильного взаимодействия. Средняя скорость кварков в боттомонии сравнительно невелика, а потому и осложнения, вызываемые релятивистскими эффектами при рассмотрении динамики кварков, в случае bb не столь серьёзны. Возможно, в дальнейших исследованиях боттомоний будет играть роль природной лаборатории по наблюдению сильного взаимодействия в практически «чистом» его виде.Ланкастерский университет.