Коллаборация LHCb сообщила об обнаружении на Большом адронном коллайдере в CERN ранее не встречавшейся экзотической частицы, составленной из четырёх «очарованных», или c-кварков, — тетракварка. Открытие продолжает начатую в 2014 году серию результатов по детектированию мультикварковых адронных частиц в экспериментах БАК.
LHCb (Large Hadron Collider Beauty) — одна из восьми экспериментальных установок физики элементарных частиц на Большом адронном коллайдере CERN в Женеве. Это специализированный детектор для исследования b-кварков, или «прелестных» кварков (буква b в названии — от beauty) и самый маленький из четырёх детекторов частиц на коллайдере. 1 июля вышла статья группы LHCb об исследовании спектра J/ψ-мезонов — особых частиц, образующихся в экспериментах по протон-протонному рассеянию на высоких энергиях в БАК (см. публикацию на arXiv.org и пресс-релиз коллаборации LHCb. Более подробное техническое описание можно найти на странице LHCb). Предполагается, что один из пиков на спектре энергии указывает на образование новой четырёхкварковой частицы.
Кварки формируют составные частицы, подверженные сильному взаимодействию — адроны. Они объединяются в группы по два или по три, образуя соответственно мезоны и барионы (барионы, например — это протоны и нейтроны, или «видимая материя» Вселенной). Частицы, которые нельзя классифицировать по такой схеме, называются экзотическими адронами. С середины 1960-х годов предсказывали существование более сложных адронов, составленных из четырёх и пяти кварков (тетракварки и пентакварки) — добавлением к этим «минимальным конфигурациям» пары кварк-антикварк. В последние несколько лет существование таких экзотических частиц было подтверждено экспериментально, в частности, и на экспериментах LHCb с 2014 года. Экзотические комбинации кварков, очевидно, неустойчивы, и их образование и распад в космических лучах или экспериментах с высокой энергией, как в БАК — идеальная платформа для изучения сильного взаимодействия.
Кажущееся неразличение зеркальной симметрии в физическом мире приводит к парадоксу, озвученному Ричардом Фейнманом в его лекциях по физике. Пусть необходимо по телефону описать представителю внеземной цивилизации наш мир, в частности, строение человека. Дойдя до фразы «сердце у человека находится слева» мы обнаруживаем, что нельзя удалённо объяснить, что такое левое и правое: физические законы зеркально симметричны. Поэтому инопланетяне будут вынуждены представить себе обе версии человека, без механизма различения, какая из них соответствует действительности. Но левое и правое в органическом мире на Земле неравноценны. Так, по содержанию левых и правых энантиомеров в аминокислотах доказывают их внеземное происхождение — см., например, статью о первом внеземном белке в метеорите. Непонятно, почему в земных аминокислотах больше левых молекул, а не поровну, но это факт.
Симметрию чётности разрушает слабое взаимодействие, и порядок в своё время пытались восстановить, введя комбинированную CP-симметрию как принцип. Но она тоже оказалась не универсальной. Более того, её нарушение — свойство природы, вероятно, определившее, что в мире оказалось больше материи, чем антиматерии. Поэтому физика элементарных частиц исследует нарушение этой фундаментальной симметрии в субатомных взаимодействиях, разбираясь, почему «вещество» в нашем мире доминирует над «антивеществом». Логотип LHCb лаконично отображает эту проблематику. Для исследования разного характера распада частиц и античастиц лучше подходят B-мезоны, но на LHCb изучают и кварки других поколений, в частности, c-кварки.
Для выделения новой частицы в эксперименте LHCb использовались данные по протон-протонным столкновениям из архивных наборов по экспериментам коллайдера на определённых энергиях во время его двух «сеансов» работы с 2009 по 2013 и с 2015 по 2018 годы. Исследовался спектр мгновенных частиц деления, в данном случае это — особый тип мезонов под названием J/ψ-мезоны, состоящие из c-кварка и c-антикварка. Здесь эти частицы образовывались как «промежуточный продукт» протон-протонных столкновений в коллайдере, в свою очередь распадаясь на другие элементарные частицы, по которым изучают их свойства и распределение по энергиям, например, на мюонную пару J/ψ→μ+μ—, как в этом случае. Смысл открытия в том, что в результирующем спектре наблюдается заметный всплеск при энергии 6,9 ГэВ (6900 МэВ) на фоне «плавной» составляющей спектра. Такой выброс должен отвечать распаду некоторой составной частицы, предположительно тетракварка, массу которой теоретические модели оценивали именно в этом диапазоне.
Заявленная структура, которую называют X(6900) (по «всплеску» 6900 МэВ) — необычная и ранее не наблюдавшаяся комбинация кварков. Все экзотические адроны, обнаруженные ранее, были составлены максимум из двух тяжёлых кварков — или b-, или c-кварков, и ни один не содержал более двух кварков одного и того же типа. Частица X(6900) состоит из двух C-кварков, или «очарованных» кварков и двух таких же антикварков, соответственно её обозначение Tccc̃c̃. Группа LHCb ранее искала и другие мультикварковые состояния. В частности, поскольку детектор LHCb хорошо подходит для исследования b-кварков, искали аналогичную предсказанную частицу — экзотический B-мезон, но пока безуспешно.
Интерпретация всплеска на энергетической диаграмме, или «структуры X(6900)» как адронного состояния, составленного из сильно связанных четырёх «очарованных» кварков — только одна из возможностей, хоть и привлекательная, и она предсказывается тетракварковыми моделями. Но пока нельзя исключить и других объяснений без введения новых частиц. Например, это может быть «адронная молекула» из двух слабо связанных J/ψ-частиц, или более сложная составная структура. Такие вопросы возникают и при «открытии» других многокварковых структур, а в природе скорее всего встречаются обе эти возможности.