LHCb, CERN, ИЯФ СО РАН и НГУ уточняют кварковую модель при открытии новой частицы

Ведущие ученые России, среди которых Павел Кроковный, Антон Полуэктов и Иван Беляев, входящие в состав известной коллаборации LHCb на базе CERN, объявили о существенном научном прорыве. Группа исследователей, представляющая Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), обнаружила ранее неизвестные возбуждённые состояния так называемого прелестного бариона. Эти состояния могут свидетельствовать о появлении новой частицы — либо λb (1D) (лямбда-б бариона, находящегося в первом D-возбуждении), либо сигма-б бариона (Σb). Как отмечает пресс-служба ИЯФ СО РАН, для точного определения природы открытия предстоит провести дополнительные измерения квантовых чисел этих частиц.

Большой адронный коллайдер и вклад российских ученых

Детектирование новых состояний стало возможным благодаря Большому адронному коллайдеру — уникальному ускорителю, работающему в лаборатории CERN. Именно анализ огромного объёма экспериментальных данных позволил зафиксировать сигналы, соответствующие новым барионным резонансам. Ключевой этап исследования был выполнен российской командой в составе Павла Кроковного, Антона Полуэктова и Ивана Беляева, которые не только подтвердили полученные результаты, но и активно участвовали в анализе параметров выявленных частиц.

Этот результат вызывает широчайший интерес научного сообщества, так как подтверждение существования новых элементарных частиц открывает дополнительное пространство для проверки и дальнейшего развития кварковой модели. Кварковая модель является краеугольным камнем современного понимания структуры материи, а обнаружение новых состояний барионов сбережёт не только симметрии, но и законы взаимодействий во Вселенной на микроуровне.

Оптимистичные перспективы для мировой науки

Результаты исследования были представлены научной общественности 13 июля 2019 года на крупнейшем форуме — конференции EPS-HEP (The European Physical Society Conference on High Energy Physics), которая традиционно объединяет ведущих экспертов по физике элементарных частиц со всего мира. Презентация вызвала положительный отклик, поскольку такие находки не только углубляют фундаментальные знания о строении материи, но и демонстрируют высокий уровень российской школы физики.

Экспериментальные данные, собранные на LHCb, гарантированно внесут новые штрихи в современную картину Вселенной, а успешное подтверждение вновь открытых частиц поможет пересмотреть существующие теоретические модели. Междисциплинарное сотрудничество исследовательских групп из ИЯФ СО РАН, НГУ и других университетов под эгидой CERN показывает, что наука не знает границ: совместными усилиями ученые двигают границы возможного, наполняя будущее большими открытиями и новыми свершениями. Российские физики продолжают уверенно заявлять о себе на мировой арене, и открытие новых состояний бариона — наилучшая иллюстрация потенциала, заложенного в отечественной и мировой науке.

Кварковая модель занимает центральное место в современной физике элементарных частиц, являясь значимой частью Стандартной модели. Она объясняет, каким образом простые составляющие – кварки – объединяются во множество частиц, известных как адроны: мезоны и барионы. Одним из выдающихся научных проектов, продвигающих границы наших знаний о кварках, стал эксперимент LHCb, проводимый на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе. Благодаря усилиям международной команды ученых этот эксперимент вносит весомый вклад в понимание структуры Вселенной.

Эксперимент LHCb: Шаг к разгадке тайны материи

Эксперимент LHCb направлен на всестороннее исследование кварковой модели, что важно для получения наиболее полной картины устройства окружающего нас мира. В ходе анализа данных, собранных за время работы коллайдера, ученые LHCb добились впечатляющих результатов. Им, в частности, удалось обнаружить два новых возбужденных состояния бариона Λb – частицы, состоящей из двух лёгких (u и d) и одного тяжёлого (b) кварка. Старший научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН Павел Кроковный поясняет: «Такие нестабильные разновидности Λb ранее предсказывались теоретиками, но долгое время оставались вне поля зрения экспериментов из-за ограниченной статистики событий.» Этот успех стал возможен благодаря накоплению большого объема данных и совершенствованию методов анализа на LHC.

Современное состояние кварковой модели

По словам Антона Полуэктова, руководителя группы идентификации частиц LHCb, фундаментальное строение кварковой модели уже подробно изучено, и учёные хорошо знают свойства и различия шести типов кварков – от лёгких до тяжёлых. Однако, несмотря на это, математические методы не позволяют ещё точно предсказать богатство проявлений этих частиц: их массы, времена жизни или вероятность распадов. Теоретические модели порой приходят к противоречивым выводам, а объём экспериментальных данных всё ещё уступает масштабам предсказаний. Поэтому нахождение нового варианта бариона или мезона всегда становится значимым событием для сообщества физиков – ведь с каждой новой частицей мы делаем шаг к целостному представлению о микромире.

Обзор открытий и их классификация

Каждое новое открытие бережно фиксируется в международном справочнике Review of Particle Physics (PDG), чтобы систематизировать существующие знания о составе материи. На сегодня в арсенале науки гораздо больше описанных мезонов (состоящих из кварка и анти-кварка), чем барионов, включающих три разных кварка. Особенно малоизученными остаются барионы, в состав которых входит так называемый прелестный (b) кварк, – их теоретических вариантов немного, а экспериментальных подтверждений до недавнего времени практически не существовало.

По результатам работы LHCb были впервые измерены массы и времена жизни двух новых возбужденных состояний Λb. Их массы составили 6146 МэВ и 6152 МэВ, что стало серьёзным достижением и открывает новые горизонты для развития теоретических моделей.

Мезоны, барионы и трудности теории

Из оформленных моделей известно, что мезоны – состоящие лишь из двух квантовых объектов – описываются относительно просто, тогда как барионы с их сложной трехкварковой структурой накладывают гораздо больше трудностей на расчёты учёных. Иван Беляев, старший научный сотрудник лаборатории Алиханова, подчёркивает: «В нашем распоряжении есть только небольшое количество экспериментальных данных о барионах с b-кварком, таких записей в PDG буквально считанные единицы». Тем не менее, теоретическая проработка вопроса началась ещё в 1986 году – до первого экспериментального обнаружения таких частиц. Тогда была предложена модель, предсказывающая существование двух близких по массе состояний Λb (1D), где «1D» указывает на определённое квантовое число орбитального момента. Именно такие частицы удалось теперь наблюдать в экспериментах LHCb, что подтверждает верность построений физиков и побуждает к новым изысканиям. Среди перспективных направлений – внимание к другому возбужденному бариону, Σb. Для окончательного подтверждения гипотезы физикам предстоит определить квантовые числа новых состояний: спин, четность и изотопический спин, что вполне возможно будет реализовано в ближайшие годы.

Анализ данных и первый взгляд на новое

Даже на первом этапе исследования новые открытия позволяют сделать интересные выводы. Так, результаты работы свидетельствуют о необычной закономерности: в паре обнаруженных возбужденных Λb более тяжёлая частица, по-видимому, имеет меньший спин по сравнению с более легкой. Подобные наблюдения стимулируют пересмотр теоретических представлений и побуждают к поиску новых объяснений. Найденные состояния будут включены в международную таблицу элементарных частиц PDG с обозначением важнейших характеристик: массы и ширины распада.

Будущее экспериментов и верификация результатов

В высокоэнергетической физике принято перепроверять наблюдения на разных установках, что делает каждое подтверждение особенно ценным. Например, японский проект Belle II, похожий по задачам на LHCb, работает на коллайдере SuperKEKB, где сталкиваются электроны с позитронами и барионы с b-кварком практически не образуются. Поэтому уникальность эксперимента LHCb пока не удаётся воспроизвести полностью независимо. Тем не менее, значение открытий не уменьшается. К тому же, наметилась амбициозная программа модернизаций: в ближайшие годы Большой адронный коллайдер и детектор LHCb будут усовершенствованы, а к 2026 году завершится проект HL-LHC (коллайдер высокой светимости). Эти шаги не только позволят получить ещё больше экспериментальных данных, но и обеспечат повторную проверку всех значимых находок, сделанных учёными ранее.

Таким образом, исследования на LHCb и развитие кварковой модели открывают новые горизонты для понимания фундаментального устройства материи, обогащают теорию яркими экспериментальными фактами и вдохновляют научное сообщество на дальнейшие открытия. Достижения этого проекта служат убедительным примером того, как совместная работа физиков со всего мира приближает нас к раскрытию тайн Вселенной, а каждый новый результат приносит оптимизм и научный азарт в долгую дорогу поиска истины.

Иллюстрация (кликабельно): Два новых возбужденных состояния бариона Lambda b. Иллюстрация LHCb

Открытие новых частиц на коллайдере LHCb

В мире фундаментальной физики произошло значимое событие: исследователи, работающие на детекторе LHCb, смогли зафиксировать два неизвестных ранее возбужденных состояния бариона Lambda b. Это достижение стало возможным благодаря слаженной международной команде ученых, в том числе представителей российских институтов. Такое открытие не только расширяет понимание строения материи, но и открывает перед физикой элементарных частиц новые горизонты для исследования.

Обнаруженные состояния бариона Lambda b представляют собой особые конфигурации материи, существующие на короткое время. Благодаря прогрессивным технологиям ускорителя и детекторов, физики зафиксировали уникальные сигналы, которые свидетельствуют о существовании этих новых частиц. Это событие подтверждает прогрессивность современных научных подходов и высокую эффективность коллективной работы ученых со всего мира.

Значение открытия для фундаментальной науки

Появление новых возбужденных состояний Lambda b может значительно углубить представление о силах, действующих внутри атомного ядра, и поведении кварков. Эти результаты поспособствуют дальнейшему развитию теоретических моделей, объясняющих структуру материального мира на самых мельчайших уровнях. Итоги эксперимента уже вызвали большой интерес в научном сообществе и вдохновили специалистов на новые исследования.

Научные открытия, подобные этому, подкрепляют уверенность в будущем фундаментальной науки и доказывают важность международного сотрудничества. Новые данные не только многократно расширяют горизонты знаний, но и мотивируют молодежь выбирать карьеру исследователя, чтобы в дальнейшем вносить свой вклад в разгадку тайн Вселенной.