Сенсация 2021: экзотический тетракварк опять меняет представления об устройстве мира

Физикам удалось обнаружить новую составную элементарную частицу – барион, принадлежащий к редкому типу тетракварков. Она обладает необычным составом и на данный момент является самым долгоживущим экзотическим адроном.

Всего известно шесть типов кварков, также называемых «ароматами»: верхний (u-кварк), нижний (d-кварк), очарованный (c-кварк), странный (s-кварк), истинный (t-кварк) и красивый (b-кварк). Им соответствуют антикварки – античастицы с противоположными квантовыми числами.

Ученым из ЦЕРН удалось обнаружить новую частицу Tcc+, которая обладает необычными составом и свойствами. На фото — Большой адронный коллайдер, самой большой ускоритель частиц в мире. Изображение: ЦЕРН

Кварки и антикварки могут группироваться, образуя адроны – составные частицы с сильным взаимодействием. Например, барионы (протоны и нейтроны) состоят из трех кварков, а мезоны – из кварков, соединенных с антикварками.

Но также существуют экзотические барионы, в том числе пентакварки, состоящие из четырех кварков и одного антикварка, и экзотические мезоны (адронные молекулы, гибридные мезоны и др.). 

Ученые из Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) обнаружили как раз такой экзотический барион Tcc+. Он состоит из двух очарованных кварков, верхнего антикварка и нижнего антикварка – такое сочетание частиц и античастиц и делает его очень необычным. Как правило, кварки и антикварки объединяются в пары по аромату, например, истинный кварк и истинный антикварк. Также за последние годы были открыты несколько тетракварков с очарованными кварками в составе, но они содержали уравновешивающие их очарованные антикварки.

Художественное изображение новой частицы Tcc+, в составе которой два очарованных кварка, верхний антикварк и нижний антикварк. Изображение: ЦЕРН

Но в Tcc+ очарованные кварки соединены с антикварками другого аромата, и это наделяет адрон двойным открытым очарованием (шармом).

Под очарованием или шармом понимается аддитивное квантовое число, которое равно разности числа очарованных кварков и очарованных антикварков. Если соединяются очарованный кварк (шарм +1) и аналогичный антикварк (шарм -1), то адрон будет обладать нулевым или скрытым очарованием.

Так как в Tcc+ очарованным кваркам не противопоставлены антикварки этого аромата, то частица обладает очарованием +2 (двойным).

Также интересно, что элементарные частицы в составе тетракварка Tcc+ отличаются по массе. Очарованные кварки считаются тяжелыми, а нижние и верхние антикварки – легкими. При этом во время распада образуются два мезона, состоящие из тяжелого кварка и легкого антикварка. Согласно теоретическим исследованиям, масса тетракварка, такого как Tcc+, близка к сумме масс двух мезонов. Эта близость масс замедляет процесс распада и делает частицу Tcc+ более стабильной в сравнении с другими адронами.

На данный момент Tcc+ – самый долгоживущий экзотический адрон, но физики предполагают, что в дальнейшем будут открыты и другие более устойчивые частицы. Например, если на месте очарованных кварков окажутся нижние, то масса должна быть меньше суммы масс любой пары B-мезонов (сочетания красивого антикварка с нижним кварком). В этом случае распад практически невозможен и частица просуществует намного дольше, чем любой другой экзотический адрон. 

Новый тетракварк интересен исследователям с точки зрения дальнейшего изучения его свойств. Он распадается на частицы, которые сравнительно легко обнаружить, что позволяет очень точно определять ее массу и изучить квантовые числа. Это в свою очередь поможет проверить существующие теоретические модели экзотических адронов.