Эксперимент LHCb окончательно доказал реальность экзотического мезона Z(4430)

Рис. 1. Физики уже давно охотятся за мезонами, которые не вписываются в минимальную кварк-антикварковую схему. Две знаменитых частицы-кандидата — это X(3872) и Z(4430). Угадать в первой частице экзотический мезон непросто, потому что эта частица похожа пару c-анти-c и не выдает свою экзотичность явным способом. Зато частица Z(4430) является «вопиюще экзотической», ее с обычными мезонами не спутаешь. Новое исследование коллаборации LHCb однозначно доказывает реальность этой частицы. Рисунок с сайта news.softpedia.com

Коллаборация LHCb опубликовала результаты исследования распада B-мезона на тройку адронов: ψ', π⁻ и K⁺. Данные совершенно однозначно свидетельствуют в пользу того, что в процессе распада на короткое время появилась и распалась «вопиюще экзотическая» частица Z(4430). Эта частица — необычный мезон, не вписывающийся в стандартные рамки и состоящий как минимум из двух кварк-антикварковых пар. Его существование было известно и раньше, но только сейчас стало окончательно доказано, что это реальная экзотическая частица.

На днях СМИ, следящие за исследованиями на Большом адронном коллайдере, запестрели сообщениями об открытии коллаборацией LHCb новой частицы, названной Z(4430). В отдельных заметках речь шла ни много ни мало об открытии новой формы материи. Источником этих сообщений стала публикация статьи этой коллаборации, в которой действительно идет речь об открытии частицы; соответствующее сообщение появилось и на сайте ЦЕРНа.

Для самих физиков, однако, этот результат LHCb никакого оттенка сенсационности не имеет. Да, это открытие частицы, но открытие открытию рознь. Бывают открытия чего-то неожиданного (например, ускоряющееся расширение Вселенной), бывают открытия чего-то предвиденного, но всё равно нового (например, хиггсовского бозона), а бывают окончательные подтверждения чего-то такого, что уже было известно и раньше, но в интерпретации чего физики не были уверены. Новая статья LHCb — это открытие именно такого типа; это подтверждение того, что Z(4430), обнаруженная впервые в 2007 году, является не «миражом», а реальной частицей с необычными свойствами.

Вторая вещь, которую надо подчеркнуть, это что частица частице тоже рознь. Обнаружение хиггсовского бозона было действительно открытием совершенно нового сорта материи. А частица Z(4430) — это лишь один из нескольких сотен адронов, частиц, состоящих из кварков. Да, это адрон с необычными свойствами, который кое-что рассказывает физикам о том, как кварки взаимодействуют друг с другом. Но эта частица всё равно состоит из тех же самых кварков, что были известны раньше. Немножко утрируя, можно сравнить эту работу с синтезом нового химического соединения, составленного из известных уже атомов. Согласитесь, это куда менее впечатляюще, чем открытие какого-нибудь нового стабильного химического элемента!

Ну и для того, чтобы еще больше умерить ажиотаж, полезно заметить, что новости с заголовками типа «Впервые открыта частица, состоящая из четырех кварков» уже проскакивали в СМИ. Последний пример — новость 2013 года об открытии частицы Z_c(3900), более легкой «сестры» частицы Z(4430), которая тоже заряжена и тоже является экзотическим адроном.

Загадка многокварковых комбинаций

Рис. 2. Кварковое устройство пи-мезона, протона и предполагаемый кварковый состав частицы Z_c(3900) — одного из кандидатов в тетракварки. Рисунок из статьи E. Swanson, 2013. New Particle Hints at Four-Quark Matter

Кварковая модель строения адронов выглядит очень просто. Берем кварки, комбинируем их так, чтобы их суммарный цветовой заряд — характеристика, обеспечивающая сильное взаимодействие между кварками, — скомпенсировался, и тогда должен получиться вполне жизнеспособный адрон. Минимальными для компенсации цвета являются комбинации из трех кварков или кварк-антикварковые пары. Теоретически можно соорудить и более сложные бесцветные комбинации, например шестикварковые, пентакварки (четыре кварка и один антикварк), тетракварки (два кварка и два антикварка) и так далее (рис. 2). Такие адроны, не вписывающиеся в минимальную схему, называются экзотическими. С точки зрения наивной кварковой модели все эти комбинации тоже имеют право на существование. Проблема в том, что в эксперименте их нет — а точнее, не было на протяжении очень долгого времени. Если насильно взять и соединить вместе шесть кварков (например, комбинацию uuuudd) с правильными цветами, то они распределятся по двум протонам, а не образуют один большой адрон. Если поместить вместе два кварка и два антикварка, то они просто сформируют два мезона, которые разлетятся друг от друга. Почему природа ограничивается только минимальными наборами кварков и настолько «не любит» многокварковые состояния — одна из главных загадок этого раздела физики.

Долгое время было вообще непонятно: многокварковые адроны совсем запрещены какими-то новыми законами или же они просто очень редко появляются в реакциях элементарных частиц? В начале 2000-х ситуация резко изменилась. Сразу несколько экспериментальных групп объявили о намеках на существование предсказанного теоретиками пентакварка Θ⁺; некоторые подробности см. в популярных рассказах Пентакварк, опять пентакварк? (2004) и В поисках пентакварка (2013). Затем последовали десятки новых исследований, однако никакого пентакваркового сигнала они уже не показали. Даже те эксперименты, которые вначале сообщали о его наблюдении, после набора новых данных были вынуждены признать, что первоначальный эффект стал похож на статистическую флуктуацию. Полная ясность со всеми экспериментальными данными так и не была достигнута, но к настоящему моменту подавляющее большинство специалистов считает, что в накопленной статистике никаких убедительных указаний на эту частицу нет. Описание ситуации по состоянию на 2012 год можно найти в статье On the conundrum of the pentaquark. Хотя саму возможность пентакварков это не закрывает, ясно, что искать их надо как-то иначе.

Параллельно с пентакварковым триллером развивалась и другая сага — открытие новых очарованных мезонов, которые в силу их необычных свойств сразу стали подозревать в причастности к семейству тетракварков. Поскольку было не совсем понятно, как эти мезоны классифицировать, для их обозначения выделили буквы на конце алфавита; сейчас они коллективно называются XYZ-семейством. Первой ласточкой стал мезон X(3872), обнаруженный в 2003 году (число в скобочках — это масса частицы в МэВ). За ним последовало несколько других частиц, в том числе и тяжелых, с массой в районе 10 ГэВ, и даже электрически заряженных. Надо сказать, что такое изобилие новых частиц с подозрением на экзотичность было довольно неожиданным для физиков. Оно стало своеобразной «призовой игрой» для электрон-позитронных коллайдеров, которые изначально были заточены под изучение совсем других мезонов.

Сейчас имеется уже пара десятков частиц — кандидатов в тетракварковые состояния. Слово «кандидат» указывает на то, что путь от первого эксперимента до полноценного признания частицы тетракварковым мезоном очень долгий. Тем не менее тетракварковая сага разворачивается куда успешнее пентакварковой. Открытие коллабрацией частицы Z(4430) стало еще одним, и довольно важным, эпизодом этой истории.

Адроны разной степени необычности

Чтобы охарактеризовать место новой работы LHCb в этой саге, надо вначале объяснить, что экзотические мезоны тоже бывают разные (рис. 1). Немножко упрощая ситуацию, можно сказать, что есть две градации необычности адронов.

• «Вопиюще экзотические» адроны, то есть такие частицы, которые в силу очевидных признаков не могут быть составлены из трех кварков или кварк-антикварковых пар. Два главных параметра здесь — это масса и заряд адрона. Например, масса частицы Z(4430)⁻ (около 4 ГэВ) указывает на то, что в ее состав входит довольно тяжелая очарованная кварк-антикварковая пара (c-анти-c). Такие комбинации называются чармониями, и все они обязаны быть электрически нейтральными. И действительно, все обычные чармонии и даже большинство кандидатов в экзотические адроны, например X и Y-частицы, — нейтральны. Однако Z(4430)⁻ — электрически заряжена (это относится и к остальным Z-частицам), что физически невозможно сделать в рамках c-анти-c-комбинаций. Следовательно, в этом мезоне есть и другие кварки.

• Адроны со скрытой экзотикой. Их явные характеристики вполне укладываются в рамки простых кварковых комбинаций. Однако при более внимательном взгляде обнаруживаются такие необычности, которые трудно или невозможно описать минимальными комбинациями. Это может быть нехарактерное для кварк-антикварковых состояний сочетание спина и четности частицы, либо необычные предпочтения в распадах.

Эти два варианта отличаются по тем экспериментальным данным, которые требуется получить, чтобы заявить об открытии тетракварка.

• В случае вопиюще экзотического адрона достаточно надежно доказать, что такая частица реально существует (в случае пентакварка, например, это так и не удалось сделать).

• Для адронов со скрытой экзотикой простого существования недостаточно — ведь это может оказаться и обычный адрон. Надо аккуратно измерить все нужные свойства частицы, затем проверить, что говорит кварк-антикварковая теория, и только когда окажется, что одно с другим ну совсем никак не согласуется, можно заявлять о многокварковом адроне. Например, частица X(3872) застряла на этом этапе: ее существование давно и надежно установлено, свойства ее действительно не совсем обычные, но пока нет железобетонных свидетельств в пользу многокварковой интерпретации.

Есть еще дополнительный технический момент, сильно усложняющий доказательство реальности частиц. Обычно новые адроны проявляются в виде пиков — так называемых резонансов — на графиках распределений дочерних частиц по инвариантной массе (см. примеры ниже). Но в этих распределениях могут быть и другие всплески, связанные с взаимодействием известных частиц, а вовсе не с новым адроном. Поэтому доказать наличие новой частицы — это не просто увидеть какой-то всплеск в данных, а убедиться, что он не связан с посторонними факторами. До тех пор, пока это не было сделано, физики аккуратно сообщают о наблюдении некоторой «резонансной структуры», а не новой частицы.

Как ищут новые адроны

Открытие коллаборацией LHCb частицы Z(4430) — это хороший повод рассказать о том, как вообще физики получают информацию о существовании новых нестабильных адронов.

Всё начинается с рождения и распада какого-то уже известного адрона; в нашем случае — это тяжелый нейтральный B-мезон, который рождается на LHC в столкновениях протонов большой энергии. Эти мезоны могут распадаться на разные конечные наборы других частиц. Контролировать процесс распада физики не могут, зато они могут из всей накопленной статистики отбирать события с каким-то определенным типом распада, анализировать эту выборку и, сравнивая данные с теоретическими расчетами, делать выводы об устройстве микромира.

Рис. 3. Условная схема распада B-мезона, из которого извлекалась информация о существовании новой частицы

В данном конкретном исследовании коллаборация LHCb отбирала события, в которых B-мезоны распадались на комбинацию адронов ψ', π⁻ и K⁺ (рис. 3). Вообще говоря, такой вариант распада B-мезона довольно редкий, его вероятность — меньше одной тысячной, да еще и ψ'-мезоны брались не все, а только те, которые распадаются на мюон-антимюонную пару. Однако благодаря высокой светимости в коллайдере происходит так много столкновений и рождается так много B-мезонов, то даже при такой ничтожной вероятности было зарегистрировано примерно 25 тысяч нужных событий. Это уже очень солидная статистика, и она позволяет физикам построить разнообразные распределения по энергиям, инвариантным массам, углам разлета частиц и сравнить всё это с теоретическими расчетами.

Все частицы, участвующие в этом распаде, давно известны физикам. Легкие мезоны (пион и каон) были открыты на заре физики элементарных частиц, более тяжелые адроны — B-мезон и ψ', еще одна частица из семейства чармониев, — тоже известны десятки лет. Однако сам микроскопический процесс распада B-мезона — то, что показано на рис. 3 в виде условного взрыва, — может протекать через рождение и распад каких-то промежуточных и очень короткоживущих адронов. На рис. 4 показано три варианта того, как этот распад мог бы протекать. Это могло быть одновременное образование трех частиц (так называемое нерезонансное рождение). Это мог быть распад сначала на ψ' и на возбужденное состояние каона K^*, которое тут же развалилось бы на π⁻ и K⁺. Это также мог быть распад сначала на некую новую частицу и каон, а затем новая частица распалась бы на ψ' и π⁻. Эта новая частица, которая могла бы появиться на промежуточных этапах этого процесса, и называется Z(4430).

Рис. 4. Три варианта развития событий при распаде B-мезона на тройку ψ'π⁻K⁺: распад мог произойти одномоментно, либо каскадно, путем рождения и распада промежуточных частиц

Тот факт, что Z(4430) распадается на ψ' и π⁻, означает, что это заряженная частица. Тот факт, что он распадается очень быстро, означает, что распад идет за счет сильного взаимодействия, а оно не меняет тип кварков. Поэтому если в этом процессе следить за отдельными кварками, то картина получится такой, как показано на рис. 5. Она однозначно говорит о том, что Z(4430) не вписывается в кварк-антикварковую схему.

Рис. 5. Распад B-мезона через промежуточную частицу Z(4430) на уровне кварков

Чтобы обнаружить новый адрон Z(4430), физикам требуется «заглянуть внутрь» процесса распада B-мезона. Однако сделать это очень непросто. В каждом конкретном зарегистрированном акте распада B-мезона невозможно определить, какой из этих вариантов реализовался. И это не дефект аппаратуры, не недостатки метода анализа; это именно принципиальная невозможность, вытекающая из законов квантовой механики. Всё, что можно сделать, — это с помощью статистического анализа всех набранных событий определить относительную интенсивность того или иного варианта (эта трудность подробнее описана в статье Анатомия одной новости).

Для этого физики не просто смотрят на все три конечных частицы, а анализируют их попарные корреляции. Они проверяют, нет ли каких-то особенностей в распределении по инвариантным массам и по углами разлета для каждой пары частиц. Например, если процесс идет преимущественно за счет частицы Z(4430), то для пары ψ'π⁻ график инвариантной массы будет иметь четкий пик, а в других парных комбинациях ничего существенного не обнаружится. Если же процесс идет только нерезонансным образом (первая картинка на рис. 4), то все распределения по инвариантным массам будут более-менее ровные. Всё это проверяется не по очереди, а одновременно, с помощью диаграммы Далица и ее современных разновидностей.

Z(4430): от открытия до последних результатов

Что касается экспериментальных данных, то частица Z(4430) имеет уже довольно длинную историю исследований. Впервые «резонансоподобная структура» с массой около 4433 МэВ была обнаружена в 2007 году международной коллаборацией Belle, работающей в японском ускорительном центре KEK (рис. 6). Там изучался ровно тот же распад, что показан на рис. 3. Уже в первой статье Belle была достигнута большая статистическая значимость новой структуры — 6,3 σ. Это более чем достаточно для того, чтобы заявить об открытии нового эффекта. Но вот является ли он самостоятельной частицей, далеко не очевидно и требует дальнейшей работы.

Рис. 6. Распределение по инвариантной массе пары π⁺ и частицы ψ', полученное в 2007 году коллаборацией Belle. Основная гистограмма показывает данные в сигнальной области, синяя гистограмма — данные в побочной области, в которой нового резонанса не ожидалось, кривая показывает наилучшее сравнение с теорией в предположении существования новой частицы (высокий пик в районе 4,43 ГэВ). Изображение из статьи S.-K. Choi et al. (Belle collaboration), 2008. Observation of a Resonancelike Structure in the π⁺⁻ψ′ Mass Distribution in Exclusive B → Kπ⁺⁻ψ′ Decays

Год спустя высказался и «дружеский конкурент» Belle — американская коллаборация BaBar, работающая на аналогичном ускорителе. Они изучили тот же самый распад и тоже заметили некоторые особенности в распределении по инвариантной массе. Однако они продемонстрировали, что эти особенности можно списать на известные резонансы в паре каона и пиона, в частности K*(892) и других подобных частиц (средняя картинка на рис. 4). Таким образом, при сопоставимых данных их вывод был противоположным выводу Belle: никаких надежных указаний на существование новой частицы Z(4430) пока не видно. Коллаборация Belle такой пессимистический вывод не поддержала: их статья 2013 года приводит более детальный анализ и не просто подтверждает ранний результат, но и сообщает об определении спина и четности новой частицы. Таким образом, ситуация до сих пор оставалась подвешенной, поскольку два сопоставимых эксперимента находились в конфронтации друг с другом относительно этой частицы.

Рис. 7. Распределение по инвариантной массе π⁺ψ' по данным LHCb. Черные точки — экспериментальные данные, кривые и желтые области — попытки описать (с учетом неопределенностей) эти данные только с помощью известных резонансов. Изображение из обсуждаемой статьи

Именно здесь и сказала свое веское слово коллаборация LHCb. Она изучала ровно тот же распад (рис. 3) и провела ровно те же измерения. Но благодаря большой накопленной статистике все погрешности теперь стали меньше и профиль распределения по инвариантной массе стал очень четким. Разумеется, первым делом коллаборация, следуя по стопам BaBar, попробовала описать этот профиль с помощью только известных частиц. Она включила в анализ не только K*(892), но и еще шесть более тяжелых известных резонансов такого же типа — и никакого приемлемого согласия добиться не смогла (рис. 7). Зато, если добавить гипотезу о новой частице Z(4430), то всё сразу становится на свои места — согласие получается отменным (рис. 8).

Рис. 8. То же распределение, но уже с учетом новой частицы Z(4430) (красная гистограмма), прекрасно согласуется с данными. Изображение из обсуждаемой статьи

Таким образом, первый вывод работы таков: резонансная структура реальна и требует введения нового объекта Z(4430). Статистическая значимость резонанса достигает заоблачных высот — как минимум 13,9 σ или еще больше, в зависимости от деталей анализа. А коллаборация BaBar не сделала этот вывод просто потому, что им тогда не хватило точности измерений.

Но на этом LHCb не остановилась. Характерной особенностью любой новой нестабильной частицы является не только усиление процесса (то есть всплеск на графике распределения), но и очень специальный вид интерференции между новой частицей и остальными вариантами на рис. 4. В предыдущих статьях такой проверки выполнено не было — слишком мало было для этого данных. Сейчас же статистики хватило. Анализ был проведен, интерференция в районе резонанса была определена, и оказалось, что этот резонанс вырисовывает аккуратную петлю на диаграмме Аргана — ровно так, как и должно быть для настоящей новой частицы (пояснения см. в статье Ф. Никитиу, Методы определения резонансов в фазовом анализе // ЭЧАЯ 12, 805 (1981)).

Этот второй результат еще сильнее, чем первый, доказывает реальность и резонансную природу новой частицы. Вообще, это первый случай среди всех заряженных кандидатов в экзотические адроны, для которых такой анализ с использованием диаграммы Аргана был проведен. Таким образом, никаких сомнений в существовании и реальности «вопиюще экзотической» частицы Z(4430) уже не остается.

Дальше уже теоретикам придется разбираться в тонкостях ее устройства. Является ли она чистым тетракварком или же больше походит на мезонную молекулу? Удастся ли вычислить ее массу из первых принципов? И правда ли существует какая-то связь между частицами Z(4430) и X(3872), каждая из которых стала первой в своем классе экзотических мезонов? Всё это будет исследоваться физиками в ближайшие годы. Ну а пока что у них есть по крайней мере один полностью и по всем правилам подтвержденный пример мезона, который гарантированно не вписывается в минимальную кварк-антикварковую схему.

Источник: LHCb Collaboration. Observation of the resonant character of the Z(4430) state // е-принт arXiv:1404.1903 [hep-ex].

См. также:
1) S. Godfrey, S. L. Olsen. The Exotic XYZ Charmonium-like Mesons // Annual Review of Nuclear and Particle Science 58, 51 (2008).
2) M. Nielsen, F. S. Navarra. Charged Exotic Charmonium States // е-принт arXiv:1401.2913 [hep-ph] — отдельный обзор, посвященный заряженным экзотическим адронам в системе чармониев.
3) Страница главных результатов, полученных коллаборацией LHCb.
4) Задача Такие разные тетракварки.

Игорь Иванов