Новый резонанс обнаружен в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН

Российские ученые из МФТИ, МИФИ и ФИАН, работающие в составе международной коллаборации CMS (англ. Compact Muon Solenoid) на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, объявили об обнаружении новой элементарной частицы. Впервые открыто орбитальное возбуждение (резонанс) Ξb(6100)^– прелестно-странного бариона. Оно распадается на основное состояние Ξb^– («кси бэ минус барион») и два пи-мезона противоположных зарядов. В работе были использованы данные протон-протонных столкновений, набранные на Большом адронном коллайдере в 2016–2018 годах. Препринт статьи находится на рецензировании в журнале Physical Review Letters.

Стандартная модель, описывающая устройство нашего мира на микроуровне (уровне элементарных частиц), предполагает, что большинство частиц (адроны) состоит из кварков — заряженных фермионов, которые группируются в пары кварк-антикварк (мезоны) или три кварка (барионы). Знакомым всем примером барионов являются протон и нейтрон, состоящие из верхних (up) и нижних (down) кварков. Вместе с электроном они формируют атомы и всю видимую материю во Вселенной.

Помимо этих, самых легких, барионов, существует и множество других состояний, отличающихся кварковым составом, массой, временем жизни и другими характеристиками. Таким семейством являются и Ξb^– барионы, состоящие из верхнего или нижнего, а также странного (strange) и прелестного (beauty) кварков. Эти частицы живут короткое время и не присутствуют в стабильной материи, окружающей нас, но могут быть получены в экспериментах по физике высоких энергий на Большом адронном коллайдере.

Внутри барионов кварки связаны между собой фундаментальным сильным взаимодействием. В зависимости от конкретной конфигурации кварков внутри бариона частицы с одинаковым кварковым составом могут иметь разные массы и квантовые числа за счет энергии спинового, радиального или орбитального возбуждения. Такие частицы называются резонансами. Один из подобных резонансов и был впервые обнаружен в нынешнем исследовании в распаде на «простой» Ξb^– барион и два пиона.

В коллаборации CMS МФТИ представлен лабораторией физики высоких энергий, которой руководит Тагир Аушев, член-корреспондент РАН. Работа лаборатории тесно связана с образовательной программой «Фундаментальные взаимодействия и физика элементарных частиц» Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ под многолетним руководством академика РАН Михаила Данилова. Интеграция науки и образования в Физтех-школе создает благоприятные условия для вовлечения студентов в серьезную науку уже на 4–5 курсе. Один из главных авторов открытия сотрудник лаборатории физики высоких энергий и магистр образовательной программы Кирилл Иванов так комментирует результаты статьи: «Сильное взаимодействие отвечает за связь кварков внутри адронов и помогает предсказывать, как именно могут формироваться частицы. Обнаруженный нами новый прелестно-странный барион дает важный вклад в наше понимание сильного взаимодействия и поможет различным теоретическим моделям лучше рассчитывать свойства адронов, построить более точную спектроскопию их энергетических уровней».

«К этому результату мы шли почти два года, и поначалу было неочевидно, что на имеющейся статистике мы сможем эффективно восстановить и увидеть сигнал от нового бариона. Наша научная группа проделала большую работу по максимальному увеличению экспериментальной чувствительности. И как результат — новая частица обнаружена с большой статистической значимостью. Очень надеюсь, что впереди у нас много новых исследований в рамках эксперимента CMS», — объясняет Руслан Чистов, научный руководитель исследования, старший научный сотрудник лаборатории физики высоких энергий и доцент МФТИ.