"Прелестный" барион спасет "Тэватрон"

Физикам, работающим на коллайдере "Тэватрон" (США), удалось зафиксировать рождение новой элементарной частицы. Эта частица относится к типу барионов и является родственником известных протона и нейтрона. О ее существовании догадывались давно, но вот до последнего времени "поймать" этот барион, названный учеными "прелестным", никак не удавалось.

Фото: Фото: AP

Похоже, специалисты, работающие на американском коллайдере "Тэватрон", который в скором времени будет закрыт из-за бесперспективности дальнейшего финансирования, просто так сдаваться не собираются. Они продолжают удивлять все научное сообщество сенсационными открытиями. Еще весной ученые заявили, что зафиксировали рождение новой, неизвестной пока науке частицы (подробнее об этом можно прочитать в статье "Открыта новая элементарная частица"). Однако последующие эксперименты это не подтвердили.

Недавно же сотрудники, следящие за показаниями детектора CDF, сообщили о том, что им удалось зафиксировать событие, предсказанное существующей Стандартной квантово-механической моделью. Они утверждают, что детекторы коллайдера зафиксировали рождение одного из барионов, который до сих пор никому не удавалось наблюдать (но который, согласно положениям той же самой модели, должен был существовать). Физическое наименование данной частицы — Ξb0, однако специалисты по квантовой физике, которые любят затейливые и романтичные названия, сразу же окрестили его "прелестным барионом".

Напомню, что барионами в Стандартной модели называют частицы, состоящие из трех кварков (а кварки, в свою очередь, — это частицы, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, где e - это заряд электрона, и не наблюдающиеся в свободном состоянии). Они входят в группу элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии и называемых адронами. Самые известные барионы — это протон и нейтрон, состоящий из трех кварков. Однако весь список частиц данного типа этими двумя не ограничивается, на самом деле барионов намного больше.

Новый барион, названный прелестным, является нейтральным (то есть он не несет электрического заряда) и состоит из трех кварков — одного "верхнего", одного "странного" и одного "прелестного". Эти названия, данные романтически настроенными физиками, являются условным обозначением квантовых чисел, характеризующих данные кварки. Если же говорить об их свойствах, то "верхний" кварк имеет заряд +2/3 и массу 3 МэВ/c², "странный" — -1/3 и 95 ± 25 МэВ/c² и, наконец, "прелестный" — -1/3 и 4,5 ГэВ/c². Таким образом, суммарный заряд прелестного бариона оказывается равен нулю, а его масса достигает 5,7878 ГэВ.

Согласно данным детектора CDF, этот барион родился при столкновении протонов с антипротонами на скорости, при которой их энергия достигла 980 ГэВ. Перед тем, как объявить об открытии, ученые проанализировали результаты 500 триллионов данных столкновений протонов с антипротонами и обнаружили 25 событий, которые имели все признаки распада Ξb0. Статистическая значимость сигнала составила семь стандартных отклонений, чего вполне достаточно для того, чтобы заявить о рождении новой элементарной частицы.

Однако, как и все подобные элементарные частицы, этот прелестный барион не дает ученым долго наслаждаться своим обществом. Появившись в результате столкновения, он буквально через миллионные доли секунды начинает распадаться. Однако физикам удалось полностью проследить этот процесс и задокументировать его.

Фото: AP

Итак, сначала прелестный барион, "пролетев" около миллиметра, превращается в короткоживущий положительно заряженный барион Ξс+ и долгоживущий отрицательный пион π-. Напомню, что пионами называют частицы, состоящие из кварка и антикварка, имеющие ненулевую массу и отрицательный, положительный или нейтральныйзаряд. Для них также характерно отсутствие спина, то есть собственного момента вращения (проще говоря, вокруг своей оси, подобно тому же электрону, они не вертятся). В дальнейшем, а именно через 2,6×10^-8 секунды, отрицательный пион распадается на мюон и антинейтрино.

Что касается бариона Ξс+, который еще называют очарованным кси-барионом, то он состоит из трех кварков ("верхнего", "странного" и "очарованного"), имеет положительный заряд и массу 2466 МэВ/c². Он тоже долго не живет и практически сразу распадается на пару пионов и частицу Ξ- (кси-барион, состоящий из нижнего и двух "странных" кварков, его масса равна 1321 МэВ/c²) Данная частица живет подольше, по крайней мере, она, пролетая, успевает оставить след в кремниевой трековой системе CDF.

Однако потом и она распадается на пион и незаряженную лямбда-частицу Λ (иначе называемую прелестным лямбда-барионом, он состоит из "нижнего", "верхнего" и "прелестного" кварков и имеет массу 5624МэВ/c²). В свою очередь, Λ спокойно может пролететь несколько сантиметров, после чего также исчезает, распадаясь на хорошо известный нам протон (который уже ни на что не распадается) и все тот же пион.

Ученым удалось зафиксировать результаты всех стадий распада прелестного бариона. По этим данным они смогли восстановить всю картину, как бы "отмотав назад" последовательность событий. В результате после публикации результатов эксперимента уже мало кто сомневался в том, что физикам удалось зафиксировать рождение новой элементарной частицы.

Правда, скептики, которых везде хватает, говорят, что не стоит торопиться с выводами. По их мнению, для того, чтобы окончательно убедится в том, что прелестный барион действительно был обнаружен, следует подождать данных с другого детектора, D0. Напомню, что именно данный детектор играет роль "скептика" на самом "Тэватроне" — апрельское предположение об открытии новой элементарной частицы опровергла группа физиков, работающая с ним. Когда проверка будет выполнена, результаты эксперимента появятся в серьезных физических журналах, в частности в Physical Review Letters.

Следует заметить, что данное открытие весьма озадачило и самих исследователей. Во-первых, потому что сам факт рождения весьма тяжелой частицы при столкновениях с очень высокими значениями энергии — это крайне редкое событие. Во-вторых, из-за того, что "Тэватрон", который был построен с целью найти таинственный бозон Хиггса (подробнее о нем читайте в статье "Ученым удалось потрогать частицу бога") вообще не предназначен для исследования частиц с прелестными кварками.

В то же время именно на этом коллайдере уже были обнаружены барионы, содержащие "прелестные" кварки — например, барион Ξb-, в состав которого входят "нижний", "странный" и "прелестный" кварки (обнаружен в 2007 году), или Ωb-, состоящий из двух "странных" и "прелестного" кварка (2009). Так что не исключено, что после подобного открытия правительство США передумает закрывать "Тэватрон". Вполне возможно, что его просто модифицируют и переоборудуют под поиск совсем других частиц.

Читайте также: Коллайдер станет машиной времени

Ну а зачем же, спросите вы, ученым вообще нужно гоняться за этими элементарными частицами, тратя немалые деньги налогоплательщиков? Кому нужны все эти кварки и барионы кроме них самих? На самом деле, не следует забывать, что барионы являются важнейшими для нас частицами — ведь именно из них (а также еще из электронов) и состоит самая привычная для нас форма материи — вещество. И если когда-нибудь удастся раскрыть все тайны барионов, то мы можем получить власть над материей и сами создавать такое вещество (и в таких количествах), которое нам в данный момент нужно.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"