В погоне за тайнами прелестного кварка

В погоне за тайнами прелестного кварка

Коллаборация LHCb, в состав которой входят российские ученые, с высокой точностью измерила параметр, описывающий переход между b и u кварками. Возможно, это позволит решить некоторые загадки  физики высоких энергий.  

За сухими строчками об измерении параметра скрывается интересная физика. Кварки – «кирпичики», из которых состоят более сложные элементарные частицы. В соответствии с общепринятой в настоящее время теорией микромира «Стандартной моделью» (СМ) существует 6 видов кварков. Они не существуют в «свободном» состоянии, обладают дробным электрическим зарядом и особыми свойствами. 

Протоны, нейтроны и другие тяжелые частицы, называемые барионами, содержат в себе три кварка. Из самых легких u- и d-кварков (от английского up и down) состоит привычное нам вещество.
Так, в протоне два u-кварка и один d-кварк (uud), а в нейтроне наоборот – два d-кварка и один u-кварк (udd). Однако существуют и более экзотические частицы, содержащие тяжелые s, с, t и b-кварки (strange, charmed, top и beauty). Чтобы их породить, нужны космические лучи с большой энергией или ускоритель. Самый мощный в настоящее время ускоритель частиц Большой адронный коллайдер (БАК, LHC) , в котором сталкиваются пучки протонов, разогнанных до скоростей близких к скорости света, позволяет получить различные такие частицы. Например, мезоны, содержащие пару кварк и антикварк.

Когда барионы и мезоны распадаются, кварки в результате слабых взаимодействий могут превращаться друг в друга, испуская особые виртуальные частицы – W-бозоны. Вероятность таких превращений заметно отличается для каждой пары кварков. Современная теория CP-нарушения и вообще слабых взаимодействий между кварками базируется на работах Кабиббо, Кобаяши и Маскавы, удостоенных Нобелевской премии за 2008 год. Математически она описывается с помощью матрицы, носящей их имена (СКМ-матрица). Числа в этой матрице, характеризуют взаимные превращения кварков и силу CP-нарушения.

СМ не предсказывает значения параметров СКМ-матрицы, они измеряются в ходе различных экспериментов. При этом важным является согласованность их значений в различных процессах. Несовпадение значений, полученных в разных процессах, может служить признаком физики, выходящей за пределы СМ. Таким образом, точное измерение этих параметров в различных процессах позволяет проверить Стандартную Модель.

В последние годы элементы СКМ-матрицы были достаточно точно определены, что выявило проблему с распадом «прелестного» (beauty) b-кварка на виртуальный W-бозон и u-кварк. Она связана с тем, что результаты, полученные эксклюзивным и инклюзивным методами для экспериментов с В-мезонами (содержащих b-кварк), сильно различаются. Это расхождение может быть объяснено как недостатками методики анализа, так и новой частицей, предложенной теоретиками, а это уже новая физика за пределами СМ. Поэтому так важно любое новое измерение.


Здесь стоит пояснить, что эксклюзивный метод применяется, если существует полная информация обо всех продуктах конкретной реакции. Однако с ростом энергии соударяющихся частиц растет число вторичных частиц и не все их характеристики могут быть измерены. Поэтому при высоких энергиях применяется инклюзивный метод анализа, который позволяет по характеристике одной из вторичных частиц определить свойства взаимодействия. Поскольку при этом наблюдение ведется только за выбранной частицей, происходит суммирование всех процессов, приводящих к появлению этой частицы.

LHCb — детектор БАК, оптимизированный как раз для изучения b-кварков, на что указывает буква «b» в его названии. Чтобы проверить результат, полученный при исследовании В-мезонов, коллаборация LHCb исследовала распад лямбда-барионов, используя данные, собранные во время первого этапа работы БАК. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics. 

Лямбда-барион похож на протон, только содержит b-кварк вместо одного из u-кварков. Время жизни у него крайне невелико. Достаточно быстро b-кварк переходит в u-кварк, превращая лямбда-барион в протон, а испускаемый в этом процессе W-бозон в свою очередь распадается на мюон и антинейтрино. Измерение распадов с участием нейтрино в протонном коллайдере является весьма сложной задачей, но ее удалось решить, что позволило применить эксклюзивный метод. Вероятность этого распада зависит от параметра |Vub| СКМ-матрицы, описывающего переход между b- и u- кварками, благодаря чему его значение удалось вычислить с большой точностью.

В результате было показано, что эксклюзивный метод измерений для мезонов и барионов дает одинаковый результат, что позволило отказаться от гипотезы новой частицы. СМ и на этот раз выстояла. Правда, вопрос об отличии от результата инклюзивного метода пока остался не проясненным. Анализ полученных данных будет продолжен и перепроверен на основе результатов, которые исследователям удастся получить во время второго этапа работы БАК на более высоких энергиях.

Отметим, что список авторов статьи, участников коллаборации LHCb, насчитывает более шестисот человек. Россия представлена здесь восемью институтами и двумя университетами, среди которых Новосибирский государственный университет и Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, Институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ, НИЦ Курчатовский центр, Институт ядерных исследований РАН и др.

Newsland.ru

Похожие новости:
ЦЕРН: открыта новая элементарная частица
Ученые Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), работающие на Большом адронном коллайдере, открыли новую элементарную частицу, сообщает ИТАР-ТАСС со ссылкой на Би-би-си. Это первая элементарная частица, открытая на коллайдере с начала его работы в 2009 году. Новая частица получила ..
2011-12-25 7414 0 Научные открытия
0
Российские ученые проверили Стандартную модель на прочность
Коллаборация LHCb, работающая на Большом адронном колайдере (БАК), провела измерение параметра, описывающего превращение кварков b, в результате которого могли быть обнаружены неточности Стандартной модели. В исследовании принимали участие ученые из Новосибирского государственного университета (НГУ) и других ..
2015-07-30 6427 0 Научные открытия
0
Физики из Тэватрона отвергли экзотические свойства бозона Хиггса
Физики из Тэватрона (коллайдера в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми — Фермилаба) продолжают сообщать о полученных ими ограничениях на свойства бозона Хиггса. Об этом рассказывает Science News. На этот раз физики из коллабораций CDF и D0 сообщили о том, что им удалось проанализировать результаты своих экспериментов ..
2015-04-09 4395 0 Научные открытия
0
В ЦЕРН открыта новая частица
Физики из Цюрихского университета обнаружили с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) ранее неизвестную частицу, состоящую из трех кварков. Ими был обнаружен новый барион, известный как Xi_b^*. Это открытие подтверждает фундаментальные физические допущения относительно взаимодействия барионов. В физике частиц, ..
2012-05-2 2382 1 Научные открытия
0
Физики обнаружили намеки на экзотический адрон
Коллаборация Belle, работающая с электрон-позитронным коллайдером KEKB в Японии, объявила об открытии новых экзотических адронов. Статья исследователей подана в Physical Review Letters, а ее краткое изложение приводит PhysOrg.com. Во время работы ускорителя в нем сталкиваются пучки электронов и позитронов. В результате ..
2012-01-11 1887 0 Научные открытия
0
Адронный коллайдер подтвердил теорию суперсимметрии
Ученые-физики из Европейской организации ядерных исследований CERN, работающие с Большим адронным коллайдером (БАК), зарегистрировали и экспериментально подтвердили существование одного из самых редких видов распада частиц в природе. Существование такого вида распада наносит сокрушительный удар по теории ..
2012-11-16 3981 4 Научные открытия
0
Физики нашли четыре «одинаковых с лица» экзотических тетракварка
Физики из коллаборации LHCb Большого адронного коллайдера открыли семейство из четырех элементарных частиц — тетракварков X(4140), X(4274), X(4500) и X(4700). Каждая из них состоит из двух кварк-антикварковых пар: очарованной и странной. Несмотря на одинаковый состав, ученые отмечают, что частицы обладают ..
2016-07-04 2019 0 Научные открытия
0
В ЦЕРНе открыли предсказанный российскими физиками пентакварк
Ученые из коллаборации LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАКе) впервые обнаружили пентакварк — частицу, состоящую из четырех кварков и одного антикварка. Результаты своих исследований физики планируют опубликовать в журнале ..
2015-07-14 6626 0 Научные открытия
1
Ученые рассказали, как был обнаружен пентакварк
Ученые из НГУ приняли участие в открытии пентакварка. На прошлой неделе физики, работающие на Большом адронном коллайдере, заявили об открытии новой частицы - пентакварка. О том, как был обнаружен пентакварк и его значении для науки, рассказали сотрудники НГУ и ИЯФ СО РАН, участвовавшие в проекте. «Что такое пентакварк- Уже из самого ..
2015-07-23 6671 0 Научные открытия
1
Ученые Китая открыли тяжелую частицу
В Китае работающая на электрон-позитронном коллайдере группа физиков открыла новую тяжелую частицу, которая, вероятно, состоит из очарованных кварков, однако ее свойства не укладываются в существующие представления о таких частицах. Эксперимент BESIII, который проводит группа физиков из Китая, Украины, ..
2013-03-29 2214 0 Научные открытия
0
Физики подтвердили открытие пентакварка
Коллаборация LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment), работающая на Большом адронном коллайдере (БАКе) в ЦЕРНе, подтвердила открытие пентакварка — частицы, состоящей из пяти кварков. О двух работах ученых, опубликованных в журнале Physical Review Letters, сообщает издание ..
2016-08-20 2872 0 Научные открытия
0
В БАКе сообщили об открытии двух новых барионов
Коллаборация LHCb сообщила об открытии в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) двух новых барионов. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте ЦЕРНа. Существование частицы Xi_b'- ..
2014-11-19 2042 0 Научные открытия
-1
Физики разработали настольный рентгеновский лазер
Международный коллектив физиков разработал настольный рентгеновский лазер, который можно применять для биологических, физических и других научных исследований, говорится в статье, опубликованной в журнале Science. Считается, что широкое распространение рентгеновских лазеров в научных лабораториях повлечет за собой микро-революцию ..
2012-06-10 2625 0 Научные открытия
0
Физики уточнили вклад «ядерного клея» в спин протона
Международная коллаборация физиков PHENIX получила новые данные о вкладе в спин протона глюонов — специальных частиц, ответственных за «склеивание» между собой кварков. Исследование является следующим шагом в разрешении «кризиса протонного спина» и уточняет роль переносчиков сильных ..
2016-02-19 2012 0 Научные открытия
0
Нобелевский лауреат предположил открытие суперсимметрии
Физики из Университета Джонса Хопкинса, среди которых — лауреат Нобелевской премии Адам Рисс, предположили, что коллаборация LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) косвенно подтвердила существование суперсимметрии. Исследование авторов опубликовано на сайте arXiv.org.Физики полагают, что обнаруженные LIGO ..
2016-03-07 2410 0 Научные открытия
0