Из Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми (Фермилаба) пришло сообщение об открытии новой микрочастицы. Собственно говоря, новизна в данном случае состоит в том, что эта частица до сих пор ни разу не регистрировалась в эксперименте, хотя была давно предсказана теоретиками. Ее существование прямо вытекает из общепринятой теории адронов, частиц, участвующих в сильных взаимодействиях.
Согласно этой теории, все адроны состоят из тех или иных комбинаций кварков, не встречающихся в свободном состоянии частиц с дробными электрическими зарядами. Некоторые адроны сложены из кварковых троек – в этом случае их называют барионами. Среди барионов есть стабильные частицы, протоны и нейтроны, которые входят в состав атомных ядер. Прочие барионы рождаются в столкновениях между другими частицами высоких энергий и практически мгновенно претерпевают различные распады.
Все они либо были открыты в экспериментах с космическими лучами, либо получены на ускорителях. Для их регистрации требуются сложные комплексы детектирующих приборов, которыми оснащены исследовательские ускорители.
К числу таких установок относится детекторный комплекс DZero. Он совмещен с Тэватроном, крупнейшим в мире ускорителем на встречных пучках, в котором сталкиваются протоны и антипротоны. На DZero работают шестьсот физиков из восемнадцати стран, включая и Россию. Он способен одновременно измерять энергии и импульсы сотен частиц, которые рождаются при взаимодействиях пучков в Тэватроне. Эта гигантская система различных детекторов общим весом в 5 тысяч тонн только что позволила надежно зарегистрировать еще один барион, причем весьма экзотического вида.
В нашей Вселенной существует шесть кварков, каждому из которых соответствует свой антикварк. Эта шестерка делится на три парные группы. Протоны и нейтроны состоят из самых легких кварков первой пары, которые обозначают латинскими буквами u и d. Куда более тяжелые кварки второй и третьей групп обозначаются буквами с и s и t и b.
Новооткрытая частица получила название Ωb. Она состоит из двух s-кварков и одного b-кварка. Каждый из них несет отрицательный электрический заряд, равный одной трети электронного заряда. Поэтому заряд Ωb в точности совпадает с зарядом электрона и по величине, и по знаку. Подобно протону и нейтрону, этот барион обладает половинным спином.
Массы элементарных частиц принято измерять в единицах энергии, электронвольтах. Теоретики давно высчитали, что барион Ωb должен иметь массу в диапазоне от 5,9 до 6,1 миллиардов электронвольт, что в шесть с лишним раз превышает массу протона. Эксперимент показал, что на самом деле он чуть-чуть тяжелее, его измеренная масса равна 6,165 миллиардов электронвольт. Так что теоретические расчеты практически полностью подтвердились.
Ωb-барион живет после рождения всего лишь одну триллионную долю секунды, а затем распадается на пару частиц меньшей массы. Однако он движется почти со скоростью света и поэтому перед исчезновением успевает пройти около миллиметра. Две частицы, которые рождаются при его распаде, претерпевают дальнейшие превращения и в конечном счете дают начало протону и еще четырем нестабильным частицам. Эти характерные следы дезинтеграции Ωb-бариона и были зарегистрированы в эксперименте на детекторном комплексе DZero.
В общей сложности для этого пришлось проследить последствия ста триллионов столкновений между протонами и антипротонами. Естественно, что львиную долю этой гигантской работы выполнили мощные компьютеры, запрограммированные на поиск ожидавшихся продуктов распада. С их помощью экспериментаторы отобрали всего лишь 18 событий, в которых рождались Ωb-барионы. Так что им удалось отловить очень и очень редкие события микромира.
В чем значение новой работы коллаборации DZero? Своими мыслями на этот счет с Русской службой «Голоса Америки» поделился один из двух ее руководителей Дмитрий Денисов:
«Кварки могут складываться в самые различные конфигурации. В этом плане они напоминают протоны и нейтроны, которые ведь тоже образуют множество связанных структур, ядер элементов таблицы Менделеева. Мы сейчас искусственно создаем в эксперименте различные комбинации кварков, которые не наблюдаются в окружающем мире. Тем самым мы фактически заполняем клеточки другой периодической системы, составленной не из химических элементов, а из микрочастиц.
Каждая из таких частиц обладает специфическими свойствами, которые не всегда удается заранее вычислить. Так что открытие любой новой частицы не только дает возможность проверить предсказания теоретиков, но также может выявить какие-то непредвиденные эффекты, которых мы еще не знали. Вот и сейчас нам удалось заполнить еще одну клетку периодической системы элементарных частиц и тем самым приблизиться к лучшему пониманию устройства микромира.
Надо сказать, что эта работа вызвала большой интерес среди специалистов. Впервые мы рассказали о ней в пятницу 29 августа на семинаре в Фермилабе, который собрал сотни участников. В тот же день послали статью с изложением своих результатов в журнал Physical Review Letters. Затем мы подготовили пресс-релиз, обнародованный 3 сентября. Нам уже звонили и из Scientific American, и из Nature, а теперь вот и «Голос Америки» заинтересовался. Что ж, это приятно».
