Исследование свойств тетракварков
Сотрудничество CMS сообщает о первом измерении квантовых свойств семейства тетракварков, недавно обнаруженных на Большом адронном коллайдере (LHC).
На сегодняшний день на LHC в ЦЕРНе обнаружено 80 частиц. Самая известная из них — бозон Хиггса, ключевой элемент фундаментальных законов Вселенной. Остальные — это адроны, состоящие из кварков, которые позволяют физикам исследовать интригующие свойства сильного ядерного взаимодействия.
Большинство из обнаруженных адронов — это хорошо знакомые наборы из двух или трёх кварков (так называемые мезоны и барионы соответственно). Но одно из самых поразительных открытий LHC — подтверждение существования экзотических адронов, состоящих из четырёх или пяти кварков.
Точная природа этих экзотических адронов далека от установления. Некоторые модели описывают их как тесно связанные тетракварки или пентакварки, другие — как слабо связанные пары стандартных адронов, а третьи — как одновременно и то и другое.
В статье, опубликованной в журнале Nature, сотрудничество CMS сделало важный шаг в разгадке истинной природы экзотических адронов, сообщив о первом измерении квантовых свойств семейства из трёх «чармовых» тетракварков.
Кварки бывают шести типов: верхний, нижний, очаровательный, странный, верхний и нижний. Тетра- и пентакварки, обнаруженные до сих пор на LHC и других коллайдерах, обычно содержат очаровательный кварк и его аналог из антиматерии (очаровательный антикварк), а остальные два или три кварка — это верхние, нижние или странные кварки или их антикварки. Но в последние годы были обнаружены и другие типы.
Поиск и изучение различных видов тетракварков и пентакварков помогает физикам лучше понять, как сильное взаимодействие связывает кварки не только в эти экзотические частицы, но и в обычные адроны, такие как более знакомые нам протоны и нейтроны, которые составляют ядра атомов и, следовательно, всю материю вокруг нас.
Семейство тетракварков, исследованное CMS, особенно перспективно, поскольку оно включает три тетракварка, полностью состоящие из тяжёлых очаровательных кварков, а точнее — из двух очаровательных кварков и двух очаровательных антикварков. Такие «чармовые» тетракварки предоставляют экстремальную, но более теоретически управляемую площадку для понимания сильного взаимодействия, чем их более лёгкие аналоги.
Три частицы известны как X(6600), X(6900) и X(7100), где числа в скобках указывают их приблизительную массу в миллионах электронвольт. Вторая по массе частица из трёх впервые была зарегистрирована коллаборацией LHCb в 2020 году, а затем — коллаборациями ATLAS и CMS независимо. CMS также зарегистрировала наименее и наиболее массивные частицы из этого трио.
Для определения квантовых свойств этих тяжеловесов мира тетракварков команда CMS проанализировала данные, собранные детектором CMS с 2016 по 2018 год, во время второго запуска LHC.
Изучая распады каждой X-частицы на две частицы J/ψ (состоящие из пары очаровательный кварк — очаровательный антикварк), которые, в свою очередь, распадаются на два мюона, исследователи измерили три квантовых свойства: спин (форма внутреннего углового момента), симметрию чётности (как частица и продукты её распада ведут себя при зеркальном отражении) и симметрию зарядового сопряжения (как система трансформируется, когда каждая частица заменяется своей античастицей).
Для всех трёх тетракварков симметрия чётности и зарядового сопряжения была найдена равной 1, а спин соответствовал 2. Эти числа накладывают ограничения на возможную внутреннюю структуру тетракварков, указывая на то, что они, скорее всего, состоят из тесно связанных кварков.
«Хотя наши результаты не определяют окончательно внутреннюю структуру этих экзотических адронов, они подтверждают гипотезу о тесно связанных тетракварках», — говорит Андрей Гритсан, один из ведущих авторов анализа. «С дополнительными данными, полученными в ходе текущего запуска LHC Run 3 и предстоящего запуска High-Luminosity LHC, мы углубим наше понимание этих экзотических адронов и других частиц, управляемых самой сильной силой природы».
Учёные исключают существование четвёртого нейтрино
Международное сотрудничество учёных, включая учёных из Манчестерского университета, работающих над экспериментом MicroBooNE в Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США, объявило, что не обнаружило доказательств существования четвёртого типа нейтрино, известного как стерильное нейтрино.
В течение десятилетий физические эксперименты наблюдали поведение нейтрино — субатомных частиц, которые нас окружают, — которое не соответствует Стандартной модели физики элементарных частиц. Одним из наиболее перспективных объяснений было существование стерильного нейтрино, названного так потому, что, согласно прогнозам, оно вообще не взаимодействует с материей, в отличие от других нейтрино. Это означает, что они могли бы проходить через Вселенную практически незамеченными.
Используя высокочувствительный детектор под названием MicroBooNE, расположенный на двух разных нейтринных пучках, исследователи наблюдали за поведением тысяч нейтрино в течение нескольких лет. Если бы четвёртое нейтрино существовало, оно оставило бы чёткий отпечаток. Результат, опубликованный в журнале Nature, показывает, что доказательств не было, и исключает объяснение с одним стерильным нейтрино с 95% уверенностью.
Джастин Эванс, профессор физики элементарных частиц в Манчестерском университете и сокоординатор MicroBooNE, сказал: «Каждый раз, когда вы исключаете одно место, где могла бы быть физика за пределами Стандартной модели, это заставляет вас искать в других местах. Этот результат станет стимулом для творческого толчка в сообществе физиков нейтрино, чтобы придумать ещё более захватывающие способы поиска новой физики. Иногда наука так же много говорит о том, чего вы не нашли, как и о том, что вы нашли».
Университет Манчестера сыграл ведущую роль в прорыве. Доктор Елена Грамеллини была движущей силой физической программы эксперимента, используя пучок NuMI — важную часть анализа, стоящего за этим результатом. Профессор Роксана Ганьетт была одним из авторов программы MicroBooNE по исследованию осцилляций на коротких расстояниях, помогая сформировать стратегию, использованную для исследования вопроса о стерильных нейтрино.
Нейтрино бывают трёх известных типов, или ароматов: мюонный, электронный и тау. Они могут переходить из одного типа в другой по мере движения. Но это изменение аромата не может быть полностью объяснено текущей Стандартной моделью.
Некоторые более ранние эксперименты — LSND и MiniBooNE — также сделали наблюдения, позволяющие предположить, что мюонные нейтрино осциллируют в электронные нейтрино на более коротких расстояниях, чем это должно быть возможно.
«Они видели изменение аромата в масштабе длины, который просто не согласуется с наличием только трёх нейтрино», — пояснил профессор Эванс. «И наиболее популярным объяснением аномалии за последние 30 лет является существование стерильного нейтрино».
Эксперимент собирал данные с 2015 по 2021 год, наблюдая за нейтрино из пучка Booster Neutrino Beam и пучка NuMI в Фермилабе. MicroBooNE — это первый эксперимент, который провёл поиск стерильного нейтрино с помощью одного детектора и двух пучков одновременно. Это снижает неопределённость в результате MicroBooNE, делая возможным исключение почти всей предпочтительной области, в которой могло бы скрываться одно стерильное нейтрино.
Хотя этот результат исключает одно объяснение аномалий, наблюдаемых в поведении нейтрино, сама загадка остаётся. Учёные сейчас анализируют оставшиеся данные MicroBooNE, и другие эксперименты в рамках программы по исследованию нейтрино на коротких расстояниях также работают над этим.
paper published in the journal Nature, the CMS collaboration has taken an important step in disentangling the true nature of exotic hadrons by reporting the first measurement of the quantum properties of a family of three \»all-charm\» tetraquarks.»,»Quarks come in six types: up, down, charm, strange, top and bottom. The tetraquarks and pentaquarks discovered so far, at the LHC and other colliders, usually contain a charm quark and its antimatter counterpart (a charm antiquark), with the remaining two or three quarks being up, down or strange quarks or their antiquarks. But in recent years other types have been found.»,»Finding and studying different kinds of tetraquarks and pentaquarks helps physicists to better understand how the strong force binds quarks into not only these exotic particles but also conventional hadrons such as the more familiar protons and neutrons, which make up the nuclei of atoms and thus all the matter around us.»,»The family of tetraquarks investigated by CMS is particularly promising because it comprises three tetraquarks composed entirely of heavy charm quarks, more precisely two charm quarks and two charm antiquarks. Such all-charm tetraquarks provide an extreme, yet more theoretically tractable, playground for understanding the strong force than their lighter equivalents.»,»The three particles are known as X(6600), X(6900) and X(7100), where the numbers within parentheses indicate their approximate mass in million electron volts. The second most massive particle of the three was first reported by the LHCb collaboration in 2020 and, since then, also by the ATLAS and CMS collaborations independently. CMS has also reported the least and most massive particles of the trio.»,»To determine the quantum properties of these heavyweights of the tetraquark world, the CMS team analyzed data collected by the CMS detector from 2016 to 2018, during the second run of the LHC.»,»By studying the decays of each X particle into two J/psi particles (comprising a charm quark–charm antiquark pair), which in turn each decay into two muons, the researchers measured three quantum properties: spin (a form of intrinsic angular momentum), parity symmetry (how the particle and its decay products behave under a mirror reflection), and charge conjugation symmetry (how the system transforms when every particle is replaced by its antiparticle).»,»For all the three tetraquarks, the parity and charge conjugation symmetries were found to be 1 and the spin was consistent with 2. These numbers put limits on the possible internal structure of these tetraquarks, indicating that they are more likely to be made of objects of tightly bound quarks.»,»\»While our results do not definitively determine the internal structure of these exotic hadrons, they favor the hypothesis of tightly bound tetraquarks,\» says Andrei Gritsan, one of the lead contributors to the analysis. \»With additional data from the ongoing LHC Run 3 and the upcoming High-Luminosity LHC, we will deepen our understanding of these exotic hadrons and other particles governed by nature’s strongest force.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tCERN\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник