X(4140)

X(4140), Y(4140) — ранее не предсказанная Стандартной моделью частица. Наблюдалась в Фермилабе и объявлена 17 марта 2009 года. Название обусловлено тем, что масса исследуемой частицы составляет около 4140 МэВ/c². Эта частица является чрезвычайно редкой и была обнаружена только в 1 случае из 20 миллиардов столкновений.^[1]

Так как она распадается на J/ψ и φ мезоны, то было высказано предположение, что эта частица состоит из очарованных кварков и очарованных антикварков, возможно, даже из сочетания четырёх кварков.^[2] В дальнейшем существование частицы не было подтверждено данными других экспериментов (LHCb^[3], Belle (англ.)^[4]), однако в ноябре 2012 года появилась информация о наблюдении частицы на LHC коллаборацией CMS^[5].

Сценарий распада

Предполагаемый сценарий распада частицы X(4140):

$\begin{matrix} X(4140) & & J/\psi & & \phi \\ ? & \rightarrow & c\bar c & + & s\bar s \\ 4140 MeV & & 3096.9 MeV & & 1019.4 MeV \end{matrix}$

История

Первоначальное название частицы — X(4140). Исследовательская группа Particle Data Group переименовала частицу Y(4140) в X(4140).

Первые намёки на существование этой частицы стали появляться в 2009 году в данных детектора CDF, работавшего на американском коллайдере Тэватрон. Изучая распады B-мезонов на три мезона — J/ψ, φ и K, физики заметили, что пара J/ψ и φ иногда рождалась скоррелированно — так, словно вначале появлялась некая новая частица, а затем, спустя некоторое время, она распадалась бы на J/ψ и φ. В 2011 году, после набора новых данных и улучшения статистической достоверности, речь шла уже о полноправном открытии этой частицы. Более того, CDF тогда нашёл и вторую частицу в том же канале распада, но статистическая достоверность этого сигнала была меньше.

В феврале 2012 года появилась статья коллаборации LHCb, в которой описываются результаты поиска частицы X(4140) (или Y(4140), как еще ее иногда обозначают) на статистике 0,37 фб⁻¹, не подтверждающая открытие^[3]. Была проанализирована цепочка распадов и не было обнаружено никакого особо скоррелированного рождения J/Ψ и φ мезонов. Данные LHCb вполне укладываются в фон и не подтверждают находку Тэватрона.

В ноябре 2012 года коллаборация CMS подтвердила наблюдение данной частицы со статистичекой значимостью более 5σ в канале распада

$B^{+} \to Y(4140) \,\, K^{+}$

$Y(4140) \to J / \psi \,\, \phi$

в ходе обработки статистики 5,2 фб⁻¹, полученной в результате протонных столкновений на энергии 7 ТэВ. При этом частица имеет массу 4148,2 ± 2,0 (стат) ± 4,6 (сист) МэВ/c². Также наблюдается более слабый пик с массой 4316,7 ± 3,0 (стат) ± 7,3 (сист) МэВ/c^2[5][6].

Процесс рождения и распада частицы X(4140) свидетельствует о том, что это мезон, но с необычными свойствами. Он должен содержать очарованную кварк-антикварковую пару, однако при такой большой массе (примерно 4143 МэВ) он тогда должен был бы легко распадаться на D-мезоны. Но оказалось, что X(4140) живет намного дольше, и значит, что-то в его структуре мешает простому распаду на D-мезоны.

Свойства этой частицы очень заинтересовали физиков-теоретиков, поскольку именно так должны проявлять себя многокварковые адроны, которые среди элементарных частиц остаются экзотическими. Как устроены многокварковые адроны и почему они встречаются так редко — один из самых больных вопросов современной адронной физики. Специалисты надеются, что внимательное изучение характеристик этого и других подобных частиц на разных коллайдерах поможет найти на них ответы.

Проблематика X(4140)

Интерпретация распада частицы X(4140) является серьезной проблемой для физиков. До сих пор известно, что есть только два способа существования связанных состояний кварков в кварк-антикварковых мезонах и формирования системы, состоящей из трех кварков при формировании барионов. Частица X(4140) не вписывается в любую из вышеперечисленных схем. Таким образом, неясно, что она представляет собой на самом деле. Следующее утверждение подтверждается словами проф. Хакобо Кенигсберга из университета Флориды, одного из участников эксперимента, проведенного на Тэватроне: «Пока мы не уверены, что это такое, но будьте уверены, что мы будем продолжать это изучать.»

Некоторые эксперты полагают, что частица X(4140) может быть дополнением к уже известным барионам и мезонам, а также впервые выявленной «копией» нового, доселе неизвестного семейства адронов (связанные состояния образуются из кварков и антикварков). На самом деле, в последние годы работы Тэватрона наблюдались аналогичные необычные характеристики распадов, но они обладали гораздо меньшей статистической достоверностью. Необычные распады частиц были обнаружены также в ускорителе KEK в Японии и SLAC в Калифорнии.

Участник эксперимента в KEK, японский профессор Масанори Ямаучи указывает на сходство свойств частиц, выявленных в KEK, с массой покоя 3940 МэВ. Он предполагает, что эти две частицы могут представлять собой начало новой семьи экзотических адронов.

В связи с ограниченным количеством экспериментальных данных о структуре и свойствах частицы X(4140) в настоящий момент этот вопрос остаётся открытым. Мы строим наши знания по частям, и когда будет достаточно фигур, мы сможем понять, как эта головоломка сходится (Мы даем знания по частям и если мы получим достаточно опыта, то мы сможем сделать головоломку вместе), — говорит Роб Розер, работник Фермилаб.

Примечания

1. ↑ Strange Particle Created; May Rewrite How Matter’s Made
2. ↑ New Particle Throws Monkeywrench in Particle Physics
3. ↑ ^{1 2} Детектор LHCb не подтверждает существование частицы, найденной ранее на Тэватроне
4. ↑ symmetry breaking " Blog Archive " Particle oddball surprises physicists
5. ↑ ^{1 2} New particle-like structure confirmed at the LHC | symmetry magazine
6. ↑ PhysicsResultsBPH11026 < CMSPublic < TWiki

Ссылки

1. «Oddball Particle Surprises Physicists at Fermilab». redOrbit. 19 марта
2. Handwerk, Brian (20 марта 2009 года). «Strange Particle Created; May Rewrite How Matter’s Made» Национальное географическое общество
3. Minard, Anne (18 марта 2009 года). «New Particle Throws Monkeywrench in Particle Physics» Universe Today
4. Shen et al., C. P. (2010). «Evidence for a New Resonance and Search for the Y(4140) in the γγ→ϕJ/ψ Process». Physical Review Letters 104. 112 004 ArXiv 0903.2529 Bibcode 2010PhRvL.104k2004S ИЦО: 10.1103/PhysRevLett.104.112004
5. Kurt Riesselmann Particle oddball surprises physicists

Дальнейшее чтение

• Aaltonen, T.; et al. (2009). «Evidence for a Narrow Near-Threshold Structure in the J/ψφ Mass Spectrum B+ → J/ψφK+ Decays». Physical Review Letters 102: 242002. ArXiv 0903.2229 Bibcode 2009PhRvL.102x2002A ИЦО: 10.1103/PhysRevLett.102.242002

• Xiang, Liu; Zhu, Shi-Lin (2009). «Y(4143) is probably a molecular partner of Y(3930)». Physical Review D 80: 017502. ArXiv: 0903.2529 . Bibcode 2009PhRvD..80a7502L . ИЦО: 10.1103/PhysRevD.80.017502

• Mahajan, Namit (2009). «Y(4140): Possible options». Physics Letters B 679 (3): 228—230. ArXiv: 0903.3107

Bibcode 2009PhLB..679..228M . ИЦО: 10.1016/j.physletb.2009.07.043

Ссылки

• Пресс-релиз комплекта для Y (4140). Содержит изображения предполагаемого процесса распада и данные по резонансу.

Частицы в физике

 

Элементарные частицы	Фермионы Кварки u · d · c · s · t · b Лептоны e− · e+ · μ− · μ+ · τ− · τ+ · νe · νe · νμ · νμ · ντ  · ντ Бозоны Калибровочные бозоны γ · g · W-бозон · Z-бозон бозоны Хиггса H0 Другие Ду́хи Гипотетические Суперпартнёры Гейджино Чарджино · Глюино · Гравитино · Нейтралино Другие Аксино · Хиггсино · Сфермион Другие A0 · Дилатон · G · J · Тахион · X · X (4140) Y · W’ · Z’ · Стерильное нейтрино
Составные частицы	Адроны Барионы / Гипероны Нуклоны (p · p · n · n)  · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω Мезоны / Кварконии π · ρ · η · η′  · φ · ω  · J/ψ · ϒ · θ · K · B · D · T Другие Атомные ядра · Атомы · Экзотические атомы (Позитроний · Мюоний · Кварконий) · Молекулы Гипотетические Экзотические адроны Экзотические барионы Дибарион · Пентакварк Экзотические мезоны Глюбол · Тетракварк Другие Мезонная молекула · Померон
Квазичастицы	Солитон Давыдова · Экситон · Биэкситон · Магнон · Фонон · Плазмон · Поляритон · Полярон · Примесон · Ротон · Биротон · Дырка · Электрон · Куперовская пара · Орбитон · Трион · Фазон · Флуктуон · Энион · Холон и спинон
Списки	Список частиц · Список квазичастиц · Список барионов · Список мезонов · История открытия частиц