Физики коллаборации ATLAS сообщили о первом наблюдении Bc*+ мезона. Это не новая фундаментальная частица, а возбужденное состояние уже известного Bc+ мезона — составной частицы, состоящей из тяжелых кварков.
Bc+ мезон состоит из двух тяжелых компонентов: очарованного кварка и b-антикварка. Такие системы особенно интересны физикам, потому что позволяют проверять модели сильного взаимодействия — той самой фундаментальной силы, которая удерживает кварки внутри протонов, нейтронов и других адронов.
Почему это важно
В обычном веществе мы чаще сталкиваемся с протонами и нейтронами. Они относятся к адронам и состоят из кварков, связанных сильным взаимодействием. Но кварки могут образовывать и другие частицы. Например, мезоны состоят из пары «кварк — антикварк».
Bc+ мезон необычен тем, что в нем связаны два тяжелых кварковых компонента разного типа. Поэтому он служит удобной лабораторией для проверки того, насколько хорошо физики понимают поведение сильного взаимодействия в таких системах.
Новый Bc*+ мезон можно представить как возбужденную версию Bc+ мезона. Подобно тому как электрон в атоме может находиться на разных энергетических уровнях, кварковые компоненты внутри составной частицы тоже могут образовывать состояния с разной энергией. У возбужденного состояния внутренняя энергия выше, а в физике частиц это проявляется как немного бо́льшая масса.
Как нашли
Bc*+ мезон рождается в высокоэнергетических столкновениях протонов на Большом адронном коллайдере и почти сразу распадается на обычный Bc+ мезон и фотон.
Именно с этим фотоном и была главная сложность. Разница масс между Bc*+ и Bc+ очень мала даже по меркам физики частиц, поэтому фотон получается слишком «мягким», то есть имеет очень низкую энергию. Обычными методами такой сигнал трудно надежно выделить на фоне других процессов.
Поэтому исследователи использовали более тонкий подход. Они искали не сам фотон напрямую, а следы его превращения в пару электрон-позитрон внутри трекового детектора ATLAS. Такие частицы оставляют очень близкие друг к другу треки, которые можно восстановить с помощью специальной процедуры анализа данных.
Что получилось
В данных ATLAS появился выраженный сигнал, соответствующий распаду Bc*+ мезона на Bc+ мезон и фотон. Статистическая значимость наблюдения превысила 8 стандартных отклонений, что в физике частиц считается очень надежным результатом.
Измеренная разница масс между новым состоянием и обычным Bc+ мезоном составила около 64,5 МэВ. Это хорошо согласуется с теоретическими ожиданиями для самого низкого возбужденного состояния системы, состоящей из очарованного кварка и b-антикварка.
Что это меняет
Это открытие не ломает Стандартную модель и не указывает на новую силу природы. Его ценность в другом: оно добавляет еще одно точное измерение, с которым можно сравнивать теоретические модели частиц с тяжелыми кварками.
Сильное взаимодействие известно давно, но рассчитывать поведение кварков внутри адронов по-прежнему очень сложно. Чем больше таких редких состояний удается обнаружить и измерить, тем лучше физики понимают, как именно кварки связываются друг с другом.
Поэтому Bc*+ мезон важен как новая деталь в большой картине микромира. Иногда именно такие детали позволяют понять, насколько хорошо работает теория там, где прямые расчеты особенно трудны.
Читайте также: Физики с рекордной точностью измерили массу W-бозона, подтвердив Стандартную модель.
