Тетракварк — самая долгоживущая частица экзотической материи

Эта частица — самая долгоживущая из когда-либо обнаруженных частиц экзотической материи.

Ученые из крупнейшего в мире устройства для уничтожения атомов обнаружили самую долгоживущую частицу экзотической материи из когда-либо наблюдавшихся, и она вдвое превосходит все обнаруженное на сегодняшний день.

Физикам еще предстоит вникнуть в загадочную природу этой недавно обнаруженной частицы, называемой тетракварком с двойным чаром, но это действительно странная смесь, содержащая необычную комбинацию двух частиц материи и двух частиц антивещества.

Вдвойне очаровательная частица настолько странная, что мы даже не знаем, как ее части слипаются. Частицы, которые объединяются в тетракварк, кварки, являются одними из самых основных строительных блоков материи и бывают шести различных типов, или «ароматов», каждый со своей массой и зарядом.

Хотя физики открыли много тетракварков в последние годы, это самое последнее добавление — смесь двух очарованных кварков и двух кварков антивещества — является первым «дважды очарованным» кварком, что означает, что оно содержит два очарованных кварка без каких-либо очаровательных антикварков, чтобы уравновесить их.

Что касается того, как кварки расположены внутри нового тетракварка: все частицы могут быть склеены в равной степени, это могут быть две кварк-антикварковые пары, свободно перемешанные в «молекулу», или они могут быть странной смесью того и другого,

Маттео Палутан, физик элементарных частиц в национальной лаборатории Фраскати в Италии и заместитель пресс-секретаря эксперимента красоты Большого адронного коллайдера (LHCb), сказал Live Science.

Поскольку кварки не могут существовать сами по себе, они сливаются в различные «рецепты» частиц, называемые адронами. Смеси трех кварков называются барионами, такими как протон и нейтрон, а смеси кварков и их противоположностей из антивещества называются мезонами.

Но не существует твердого правила, согласно которому кварки должны существовать только парами или тройками. Крис Паркс, физик из Манчестерского университета в Англии и представитель эксперимента LHCb, сказал, что теории предсказали существование адронов, содержащих более двух или трех кварков, с начала 1960-х годов, но только в последние годы физики заметили эти адроны. комбинации ненадолго мигают в существование.

Первый обнаруженный тетракварк был обнаружен в 2003 году в эксперименте Belle в Японии. С тех пор физики открыли целую серию четырехкварковых адронов, а в 2015 году они обнаружили еще два, классифицированных как «пентакварки», которые содержали пять.

Эти более редкие и необычные комбинации кварков известны как экзотические частицы, и они обладают необычными свойствами, которые могут помочь физикам лучше понять или даже переписать правила, регулирующие материю.

«Существует широкий спектр предсказаний того, какие экзотические состояния следует наблюдать и каковы будут их свойства», — сказал Паркс Live Science, имея в виду множество предлагаемых расширений Стандартной модели — теории, которая описывает все известные фундаментальные частицы. и их взаимодействия, но опущены подробности об экзотических частицах и о том, как они могут быть склеены.

«По мере того, как мы обнаруживаем все больше этих экзотических адронов, мы можем настраивать эти модели и проверять их предсказания, чтобы больше узнать о том, как кварки объединяются в адроны».

Хотя экзотические частицы являются привлекательными объектами для изучения, их невероятно короткое время жизни затрудняет их исследование. Сравнительно «долгая» продолжительность жизни тетракварка с двойным шармом (с научной точки зрения обозначаемого как Tcc+) заставляет его появляться в Большом адронном коллайдере (LHC), самом большом в мире ускорителе частиц, на немного больше, чем одну квинтиллионную долю секунды, прежде чем он появится. по словам исследователей, распадается на более легкие частицы.

Тем не менее, тетракварк с двойным шармом имеет более длительный срок службы, чем большинство экзотических частиц.

Такой долгий срок службы, а также тот факт, что более мелкие частицы, на которые он распадается, относительно легко обнаружить, делают его идеальным кандидатом для физиков, желающих проверить существующие теоретические модели или исследовать ранее скрытые эффекты.

Физики на LHC обнаружили новый тетракварк с помощью «охоты за выступами», метода, который с 2009 года выявил 62 новых адрона, включая знаменитый бозон Хиггса в 2012 году. взаимодействия регистрируются каждым из детекторов LHC.

После того, как весь фоновый шум и сигналы от известных взаимодействий были исключены, любой неожиданный всплеск показаний системы может дать важную подсказку о том, что произошло что-то более необычное.

По словам Паркса, поиск на ухабах может занять от двух до трех лет. Обычно тетракварки распадаются под действием сильного взаимодействия — одной из четырех фундаментальных сил природы, — но им не обязательно распадаться таким образом.

Хотя Tcc + действительно распадается под действием сильного взаимодействия, физики думают, что это может указать путь к еще не открытому тетракварку, которому запрещено разрушаться таким образом. Теоретически один неоткрытый двоюродный брат Tcc + по имени Tbb (который содержит два нижних кварка вместо двух очарованных кварков) должен распадаться только из-за слабого взаимодействия, что дает ему продолжительность жизни на порядки больше, чем у Tcc + или любого другого кварка, — сказал Палутан Live Science.

Но поскольку Tbb найти намного сложнее, чем любой другой обнаруженный тетракварк, физикам, вероятно, понадобится более мощный детектор, чтобы его уловить. Данные, использованные для поиска Tcc +, были получены из двух предыдущих периодов работы LHC в сети, и Паркс считает, что маловероятно, что данные этих прогонов дадут сигнал о неуловимом Tbb. Вместо этого исследователи планируют искать частицу в данных из нового запуска, используя модернизированный детектор, который начнется в следующем году.

Новый детектор «позволит нам накапливать сигнальные события в пять раз быстрее, чем мы привыкли в последние годы», — сказал Палутан. «Так что мы уверены, что если Tbb есть, мы сможем его поймать. Это вопрос терпения».