Два очарованных кварка внутри одного бариона

На прошедшей в начале июля в Венеции Европейской конференции по физике высоких энергий коллаборация LHCb, работающая на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, объявила об обнаружении бариона, имеющего структуру (ccu), т. е. состоящего из двух тяжелых очарованных c-кварков и одного легкого (верхнего) u-кварка.

Масса нового бариона, который по стандартной терминологии называется $\Xi_{cc}^{++}$ составляет 3621 МэВ, а электрический заряд равен двум. Таким образом, новый барион почти в четыре раза тяжелее протона. Новая частица была обнаружена по слабому распаду на очарованный гиперон, каон и два пиона, т. е. $\Xi_{cc}^{++}$ → Λ_c⁺Κ^–π⁺π⁺.

Доказательством того, что распад происходит за счет медленного слабого взаимодействия, является достаточно длинный путь, который успевает проделать барион в экспериментальной установке. Согласно теоретическим оценкам, время жизни $\Xi_{cc}^{++}$ составляет несколько сотен фемтосекунд. Статистическая значимость наблюдения очень высока, и существование нового бариона можно считать твердо установленным.

Чем это открытие интересно? Начнем с некоторых напоминаний. Очарованный кварк ворвался в физику в результате «ноябрьской революции» 1974 года, когда была открыта J/ψ-частица, состоящая из очарованного кварка и антикварка. Электрический заряд c-кварка составляет 2/3, а голая масса — примерно 1,27 ГэВ, т. е. c-кварк — третий по массе среди тяжелых кварков c, b и t, но намного тяжелее легких u- и d-кварков и странного s-кварка.

Основным объектом исследования коллаборации LHCb являются именно тяжелые кварки, отсюда и приставка b в названии. Поэтому неудивительно, что новый барион обнаружила именно эта коллаборация. Как часто бывает, открытие имело некоторую предысторию. В начале 2000-х годов работавшая в Лаборатории имени Ферми в США коллаборация SELEX в публикациях и докладах сообщала о наблюдении бариона $\Xi_{cc}^{+}$, содержащего два очарованных кварка и d-кварк вместо u-кварка в барионе $\Xi_{cc}^{++}$. Впоследствии, однако, это наблюдение не было подтверждено.

Кроме того, согласно данным SELEX, масса $\Xi_{cc}^{+}$ составляла 3519 МэВ, т. е. примерно на 100 МэВ меньше, чем масса бариона, открытого в ЦЕРНе. Может ли замена u-кварка на d-кварк привести к столь значительному изменению массы? Ответ почти наверняка отрицательный — ибо в природе имеется, пусть и не абсолютно строгая, изотопическая инвариантность. Массы протона и нейтрона различаются меньше чем на 1,5 МэВ. Поэтому будем с интересом ждать данные LHCb по бариону (ccd) и странному бариону (ccs).

Теперь немного о теории. Факт существования бариона с двумя очарованными c-кварками, и даже с двумя прелестными b-кварками, удивительным не является.

Более того, расчеты его предполагаемой массы начали публиковаться еще в прошлом столетии. Вопрос в том, насколько такие расчеты обоснованны. Наука о взаимодействии кварков называется квантовой хромодинамикой (КХД). Вместе с электрослабой теорией она образует Стандартную модель, за рамки которой выйти пока не удается.

В КХД есть два основных нерешенных взаимосвязанных вопроса — это теория невылетания и вычисление спектра масс адронов. Как устроено сильное взаимодействие на расстояниях порядка радиусов адронов, мы пока плохо понимаем. Поэтому если экспериментаторы определили массу нового бариона с точностью примерно 1 МэВ, то теоретики вряд ли могут рассчитывать на точность лучше 50 МэВ. Полученное на опыте значение массы позволяет критически оценить опубликованные теоретические расчеты. Общим для всех теоретических подходов является представление о том, как распределены кварки внутри бариона $\Xi_{cc}^{++}$.

Два очарованных кварка группируются в компактном образовании — дикварке, а легкий кварк располагается на некотором удалении. Томографическое изображение подобной внутренней структуры удалось получить красивым способом, идея которого принадлежит Ферми.

Дело в том, что уравнение Шрёдингера в мнимом времени совпадает с уравнением диффузии. Поэтому можно поместить три кварка в некоторую пробную конфигурацию и затем дать им долго диффундировать в заданном поле взаимодействия. В итоге волновая функция кварков приняла описанную выше форму. С точки зрения цветовой структуры дикварк выглядит как антикварк, поэтому вместе с легким кварком он образует бесцветное состояние, белый барион.

Из существования и свойств нового бариона теоретики начали извлекать первые уроки. В частности, предсказывается, что гипотетический тетракварк (bbud) с двумя прелестными тяжелыми кварками будет стабильным относительно сильного и электромагнитного распадов.

Борис Кербиков,
докт. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. ИТЭФ,
ст. науч. сотр. ФИАН, профессор МФТИ

Экспериментальная работа коллаборации LHCb была опубликована в архиве препринтов 6 июля, arXiv:1707.01621.