Измеренное детектором LHCb время жизни бариона Ωc кардинально отличается от старых результатов

Коллаборация LHCb выполнила новое измерение времени жизни бариона Ω_c с кварковым составом [css] и, к своему удивлению, получила результат, почти вчетверо превышающий значения, полученные в экспериментах 1990–2000-х годов. Причины такого вопиющего расхождения неясны; для теоретиков новый результат тоже выглядит неожиданным.

Хотя прямой поиск Новой физики остается для Большого адронного коллайдера научной задачей номер один, экспериментаторы не зацикливаются только на нём. Физикам хочется лучше понимать не только из чего состоит мир элементарных частиц, но и как он функционирует. Взять, к примеру, адроны, содержащие тяжелые кварки. Объединять кварки по трое и классифицировать получающиеся барионы способен и школьник. Но для того, чтобы предсказать время жизни бариона с заданным кварковым составом, уже требуются сложные теоретические модели, которые, к тому же, необходимо вначале настроить с учетом имеющихся экспериментальных данных. И причина этой сложности — вовсе не в самих кварках, а в динамике связывающего их сильного взаимодействия.

По этой причине одним из важных пунктов научной программы LHC остается адронная спектроскопия — исследование того, какие существуют адроны и каковы их массы, времена жизни и варианты распадов. Среди всех детекторов Большого адронного коллайдера больше всего для этой задачи подходит LHCb. В силу своих конструкционных особенностей он способен очень точно разделять в пространстве точки рождения и распада метастабильных адронов и измерять тип и импульсы дочерних частиц. В результате физикам удается с высокой достоверностью восстанавливать сложные цепочки адронных распадов и тем самым открывать новые адроны или уточнять характеристики уже известных.

Недавно коллаборация LHCb обнародовала два новых результата по измерению тяжелых очарованных барионов. И если в случае недавно открытого дважды очарованного бариона это стало первым таким измерением (см. статью Measurement of the lifetime of the doubly charmed baryon Ξ_cc⁺⁺ (arXiv:1806.02744) и популярную заметку Физики впервые измерили время жизни дважды очарованного бариона), то для другого, давно уже известного бариона Ω_c с кварковым составом [css] ожидалось лишь уточнение того времени жизни, которое было известно еще с 90-х годов.

Однако результат LHCb, опубликованный в статье Measurement of the Ω_c⁰ baryon lifetime (arXiv:1807.02024), преподнес сюрприз. На основании качественных соображений можно было ожидать, что Ω_c, будучи самой тяжелой частицей среди барионов с кварковым составом [qsc], где q — один из легких кварков, должен распадаться быстрее всего. Хотя тонкие квантовые эффекты усложняют динамику процесса, теоретики сочли еще в 90-х годах, что принципиально картину они не меняют. И действительно, три эксперимента, проведенные в 90-х и начале 2000-х годов, привели к общему результату для времени жизни τ(Ω_c) = 69±12 фс (рис. 2). Обратите внимание, что на шкале времен жизни элементарных частиц Ω_c действительно располагается левее всех очарованных адронов.

Однако коллаборация LHCb обнаружила, что эти частицы живут почти вчетверо дольше! Исследователи отобрали около тысячи цепочек распада \(\Omega_b^- \to \Omega_c \mu^- \bar{\nu}_\mu X\), где X обозначает любые другие частицы, а Ω_c восстанавливается по распаду на pK⁻K⁻π⁺. Поскольку для каждого события они четко видели точку рождения Ω_c (по вылетевшему мюону) и точку его распада, они смогли измерить расстояние между ними и вычислить соответствующее ему время жизни в системе покоя частицы. Получилось распределение, близкое к экспоненциальному (рис. 1), что и позволило измерить время жизни частицы. Оно оказалось равным 268±24±10±2 фс; первые две неопределенности здесь отвечают статистической и систематической погрешностям, а последняя возникает из-за опорного процесса, относительно которого проводились измерения.

На рис. 1 показано также распределение, которое должно было бы получиться, если бы время жизни действительно составляло те самые 69 фемтосекунд, на которые указывали более ранние эксперименты. Видно, что реальная картина намного более плавная; различие между графиками настолько очевидное, что экспериментаторы даже не затрудняли себя подсчетом статистической значимости расхождения. Рис. 2 еще более лаконично подчеркивает это расхождение.

Как понимать эту ситуацию? С одной стороны — сразу три согласующихся друг с другом эксперимента, но с очень небольшой статистикой. Противостоит им эксперимент один-единственный, но современный и с гораздо большим числом событий. В этой ситуации предпочтение естественно отдать LHCb. Однако до новых подтверждений этого результата ситуацию можно считать подвешенной.

Новое измерение существенно меняет иерархию времен жизни [qsc]-барионов. Ω_c уже выходит на второе место; он обгоняет Ξ_c и Λ_c⁺ и уступает только Ξ_c⁺. Теоретические расчеты такого не предсказывали, и это значит, что работы прибавилось и теоретикам.