Нов „тежък протон“ в ЦЕРН: Как две кваркови „гири“ дръпнаха физиката напред

Големият адронен колайдер в ЦЕРН отново улови нова частица, този път „тежка роднина“ на протона. Тази субатомна частица съдържа два чаровни кварка и един d-кварк и е около четири пъти по-тежка от обикновения протон, който съставлява ядрото на всеки атом.

Откритието стана възможно благодарение на модернизация на детектора LHCb: подобрената система позволи да се види редкият сигнал само за една година събиране на данни, докато преди това физиците безуспешно го издирваха почти десетилетие. Новата частица принадлежи към семейството на барионите – частици, съставени от три кварка като познатия ни протон – но необичайната комбинация от два тежки чаровни кварка я превръща в уникална лаборатория за изучаване на силното взаимодействие – най-мощната, но и най-малко интуитивна фундаментална сила в природата.

Защо са важни тези толкова „екзотични“ частици?

На пръв поглед може да изглежда, че поредната „тухличка от материя“ има малко значение за нашето ежедневие. За физиците обаче тя е важна проверка на Стандартния модел – основната теория, описваща елементарните частици и сили (различни от гравитацията). Теорията прогнозира цели „семейства“ частици с различни комбинации от кварки, но не всички от тях са потвърдени експериментално. Барионите с два тежки кварка са особено интересен клас: при тях силното взаимодействие работи в режим, който не може да бъде възпроизведен при обикновените протони и неутрони. Сравнявайки точната маса и продължителността на живота на новата частица с теоретичните изчисления, физиците проверяват доколко добре разбират как кварките се „слепват“ с глуони и образуват сложни структури.

Какво точно откриха физиците в експеримента LHCb

При експериментите от типа LHCb се сблъскват снопове протони с огромни енергии и след това се записват „отломките“ – десетките или стотиците частици, които се пораждат при всеки сблъсък. Сред този хаос трябва да се открие рядък набор от следи и проблясъци в детекторите, съответстващи на разпадането на търсената частица. Новият барион се разпада чрез верига от междинни частици, които могат да бъдат реконструирани по следите от заредените частици и времето на преминаване. Модернизираният детектор по-добре отделя сигнала от фона, така че физиците успяха да видят с висока статистическа значимост пика в разпределението на масата – „подписа“ на новата частица. Позицията му показва маса от около 3620 MeV, която е около четири пъти по-тежка от протона и съответства на теоретичните прогнози за такъв барион.

Какво казва това за Стандартния модел

Досега всичко, което физиците виждат в LHC, се вписва в Стандартния модел и новият барион не прави изключение. Самият факт, че измерената маса съвпада с изчисленията, придава достоверност на квантовата хромодинамика – клон от теорията, който описва силното взаимодействие. По-важното обаче е, че теоретиците вече разполагат с нова „лаборатория“: въз основа на тази частица и нейните възможни „роднини“ могат да бъдат проверени по-фини ефекти, свързани с ограничаването на кварките и възбудените състояния на барионите. Някои разширения на Стандартния модел предвиждат малки отклонения в масовия спектър или времето на разпад на такива тежки частици и именно в тази област експерименти като LHCb са особено чувствителни. Членовете на колаборацията вече казват, че новият барион е само „първото от многото очаквани прозрения“ след модернизацията на детектора, така че можем да очакваме поредица от открития през следващите години.