В ЦЕРН откриха енергийно възбудена версия на частица, изградена от тежки кварки

Какво представлява B_c^*+?

Новооткритата частица се нарича B_c^*+. Тя е изградена от два кварка. Единият е чаровен кварк — частица, сходна с положително заредения горен кварк в протоните, но около 550 пъти по-тежка от него. Другият е дънен антикварк — антиматериалният аналог на дънния кварк, който е над 1800 пъти по-тежък от горния кварк.

Звездичката в означението B_c^*+ показва, че става дума за възбудено състояние на частицата. С други думи, тя притежава повече енергия от своето основно, най-нискоенергийно състояние. За изследователите това е особено ценно, защото възбудените състояния са по-тежки от основните и могат да разкрият допълнителни подробности за силите, които действат между кварките.

Частицата е мезон — вид частица, изградена само от два кварка, за разлика от протоните и неутроните, които са съставени от по три. Възбудената версия на този мезон се разпада до обикновен B_c⁺ мезон и фотон — частица светлина. Разликата в масата между двете състояния е приблизително 28 пъти по-голяма от масата на горния кварк. За човешките представи това е изключително малка стойност, но в света на физиката на елементарните частици тя може да бъде измерена.

Защо откритието е важно

Измерената стойност попада в рамките на теоретичните очаквания, но показва леко отклонение от резултатите, предсказани от съвременните високоточни изчисления. А тъй като масата на тази възбудена частица е свързана с поведението на силното взаимодействие, евентуално потвърдено разминаване би могло да означава, че тази фундаментална сила не се проявява съвсем така, както предполага настоящото ни разбиране.

Подобни измервания са изключително трудни. Частиците, създавани в Големия адронен колайдер (LHC), често са твърде нестабилни, за да бъдат наблюдавани директно. Затова учените изследват малко по-стабилните частици, до които те се разпадат. Като измерват енергията и импулса на тези продукти от разпада, физиците могат да възстановят свойствата на първоначалната частица.

Фотоните като следа от разпада

Да вземем например фотона, който се отделя при този разпад. Той не е особено енергичен и затова е труден за изследване с детектор като ATLAS — един от четирите големи експеримента в рамките на LHC. Фотонът обаче може да се превърне в двойка от електрон и неговия антиматериален партньор — позитрон. А тези две частици вече могат да бъдат засечени.

Сходна е ситуацията и при B_c⁺ мезона — основното състояние на възбудената частица. Той също е нестабилен и се разпада до един мюон и два антимюона — по-тежки „родственици“ на електрона и позитрона — както и до една невидима частица: неутрино.

Неутриното — призрачната частица

Неутриното често е наричано „призрачна частица“, защото може да преминава почти безпрепятствено през материята. Причината е, че има изключително малка маса и няма електрически заряд, поради което взаимодейства много рядко с останалите частици. За изучаването на неутриното са нужни огромни детектори като Super-Kamiokande.

Екипите в LHC обикновено избягват да се фокусират върху разпади, включващи неутрино, защото те се реконструират трудно. В случая с B_c⁺ мезона обаче този канал на разпад е 20 пъти по-често срещан от останалите. Затова физиците е трябвало да се справят именно с това предизвикателство.

Още една стъпка към разбирането на материята

Новото откритие се вписва в по-широките усилия на физиците да изследват екзотичните адрони и новите състояния на частиците. Подобни резултати помагат да се изясни как кварките се свързват помежду си под действието на силното взаимодействие — една от фундаменталните сили в природата.

Научната статия, описваща резултатите, е подадена към Physical Review Letters и е достъпна в ArXiv.