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 nr. Чтобы сделать запись компактной, всю совокупность величин представляют в виде символа (nr + 1)2S + 1LJ. 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 13PJ и 23PJ, где J = 0, 1 или 2 [Χb(1P) и Χb(2P)]. Все эти состояния уже известны экспериментаторам, а их массы измерены с довольно высокой точностью.
Данные по распадам типа Χb → Υ(1S) + γ. Кандидаты в события, соответствующие Χb, отбирались по реконструированным событиям Υ → μ+μ-, с которыми связывали фотон, реконструированный путём калориметрического измерения. Пики на графике отвечают триплетам Χb(1Р, 2Р, 3Р). (Иллюстрация авторов работы.)
Авторы новой работы обратили внимание на не наблюдавшийся ранее триплет Χb(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 Χb(3P) можно проводить по распадам вида Χb → 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 Χb(1Р, 2Р) добавились предполагаемые распады Χb(3P) → Υ(1S, 2S) + γ. Поскольку характеристики новых состояний отлично согласовались с расчётными, результаты интерпретировали как появление искомого триплета Χb(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.
По материалам: Ланкастерского университета