Я хотел бы рассказать, чем занимаюсь в физике (и на БАК в частности). Но моя тема хотя и интересная, но не столь захватывающая как то, на примере чего я решил сделать эту лекцию. Дело в том, что частички, о которых пойдет сегодня речь $-$ пентакварки (чуть позже я расскажу, что это такое) преследуют меня с самого начала моей научной карьеры. Я помню как в ноябре-декабре 2002 года на моей родной Кафедре Экспериментальной ядерной физики Политеха, где я тогда учился и работал появилась новость об обнаружении пентакварка $\Theta^{+}$ японским экспериментом LEPS. Честно говоря ни до ни после я научных объявлений на кафедральной информационной доске не видел. В то время я занимался другой тематикой, но новогодние праздники 2003-го мой научный руководитель Ярослав Александрович Бердников попросил поприсутствовать на встрече с заведующим одной из лабораторий Отделения физики высоких энергий Петербургского института ядерной физики, чтобы “показать тому наличие толковых студентов”. Так я познакомился со своим будущим научным руководителем Владимиром Петровичем Коптевым. Тот сразу спросил, слышал ли я что-нибудь про пентакварк, и заявил, что это липа, что он уже один раз такое закрывал и на этот раз закроет. В итоге $\Theta^{+}$ не оказался темой моей работы, но НЦ “Юлих”, в котором мне предстояло делать диплом, а потом и кандидатскую был в гуще событий, да и Владимир Петрович слово свое сдержал, поучаствовав в похоронах $\Theta^{+}$, которые к слову сказать еще не до конца закончены. Но давайте сначала поговорим о том, что такое пентакварки, и почему это интересно.
То что все окружающее нас видимое вещество состоит из молекул, а молекулы в свою очередь состоят из атомов, вы все хорошо знаете. То что атом состоит из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него тоже. Хотя с точки зрения квантовой механики, теории при помощи которой можно описать строение и свойства атомов, атом не имеет четких границ, но всё же вероятность найти электрон довольно быстро убывает по мере удаления от атомного ядра, и поэтому за размер атома можно принять некоторый радиус, полагая, что в сфере этого радиуса заключена подавляющая часть электронной плотности. Мы получим величину порядка $10^{-8}$ см. Характерная энергия связи электрона в атоме порядка $10^{-18}-10^{-19}$ Дж. Видно, что джоуль не очень удобная величина, поэтому физики используют другую величину для измерения энергии $-$ электронвольты (обозначаются эВ). 1 эВ = 1,602 176 6208(98)·10$^{−19}$ Дж, это энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1 В. Характерные энергии атомной физики порядка 1-10 эВ. Все помнят наверное знаменитую формулу $E=mc^2$, которая позволяет нам выражать массу покоя элементарных частиц в единицах энергии, не забывая добавлять "деленное на $c^2$" (хотя конечно в разговорах между собой мы это опускаем как само собой разумеющееся). Если выразить массу электрона в эВ то мы получим 510998.9461 эВ. Масса легчайшего атомного ядра (ядра атома водорода) $-$ протона почти в 2000 раз больше и составляет 0.9382720813(58)ГэВ. Когда энергия частицы превышает или становится порядка ее массы покоя этой частицы. то при расчетах нужно использовать специальную теорию относительности, чтобы учесть релятивистские эффекты. Более того, начиная с некоторой энергии становится возможным рождение новых частиц, поэтому если вы хотите все знать о рассеянии электронов и фотонов лучше всего воспользоваться услугами квантовой электродинамики $-$ теории описывающей процессы, происходящие под действием электромагнитного взаимодействия.
Атомное ядро тоже оказалось составным объектом $-$ связанной системой протонов и нейтронов. Удерживает их между собой принципиально другое взаимодействие получившего название сильное взаимодействие. Такое название оно получило потому, характерные энергии связи порядка МэВ. Более того, если мы посмотрим, как ведет себя это взаимодействие с увеличением расстояния, мы увидим, что начиная с какого-то расстояния сила этого взаимодействия значительно уменьшается. Как я рассказывал на предыдущей лекции, это происходит как следствие массивности частица переносчика взаимодействия. Хидэки Юкава первым догадался оценить массу (эффективного) переносчика взаимодействия $\pi$-мезонов которые примерно в 6.7 раза легче протонов. К тому же оказалось, что некоторые атомные ядра нестабильны и могут распадаться (или переходить из одного энергетического состояния в другое) с испусканием $\alpha$-частиц (ядер атома гелия), фотонов и электронов (или позитронов). Для описания последнего пришлось ввести еще один тип взаимодействия $-$ слабое. Нейтрон, если его вырвать из ядра, оказавшись свободным, распадается под действием слабого взаимодействия на протон, электрон и электронное антинейтрино. Более того, как я опять таки рассказывал на предыдущей лекции при энергиях порядка 50-100 ГэВ оказывается, что электромагнитное и слабое взаимодействие это проявления одного электрослабого взаимодействия, но сегодня речь не о нём.
Можно задаться вопросом, а вот эти протоны. нейтроны и $\pi$-мезоны, это истинно элементарные или всё же составные частицы? Правильный ответ – составные! Это составные системы из кварков и глюонов $-$ истинных переносчиков сильного взаимодействия. Судить о наличии внутренней структуры у протона можно, например, “обстреливая” его электронами, при этом повышая энергию последних. Весьма полезное занятие. При этом нужно понимать, что рассеяние происходит из-за того, что электрон и протон (или его составные части) обмениваются фотонами $-$ квантами электромагнитного взаимодействия (это основной механизм рассеяния). При малых энергиях электронов рассеяние его на протоне будет происходить как-будто протон $-$ точечная частица без спина, настолько массивная, что она даже не сдвинуться При этом распределение электронов по углам описывается формулой Резерфорда. Если увеличивать энергию налетающего электрона, до релятивистских значений, то нужно учесть квантово-механическое перекрытие между волновыми функциями налетающего и рассеянного электронов и это приведет нас к формуле Мотта, которая получается из формулы Резерфорда домножением на $\cos^{2}\theta/2$. При увеличении энергии в расчетах нужно будет учитывать поправку на энергию отдачи протона и участие спина протона и спина электрона в этом процессе. Мы приходим к формуле рассеяния электрона на точечном “дираковском” протоне. Вот формула. Если мы увеличим энергию электрона еще, то электрон начнет “чувствовать”, что протон это не точечный объект. Заряд протона как-то размазан по некоторому объему пространства $-$ область радиусом порядка ~0.8 ферми = 8$\times 10^{-14}$ см. Нам понадобится ввести распределение описывающее это размытие $-$ так называемые форм-факторы. $G_E(q^2)$ описывает распределение электрического заряда внутри протона, а $G_M(q^2)$ $-$ распределение магнитного момента. Сам процесс описывается теперь более сложной формулой $-$ формулой Розенблюта. Если мы еще увеличим энергию электрона, то окажется, что при рассеянии он имеет дело не с чем-то размазанным, а с точечными частями протона. Поздравляю, мы увидели так называемые валентные кварки. Нам понадобится ввести две структурные функции для их описания. Еще более увеличивая энергию мы увидим морские кварки, которые появляются на время парами кварк-антикварк и аннигилируют. И вот выражение для этого, а вот структурные функции полученные экспериментами H1 и ZEUS на коллайдере HERA в Гамбурге. Конечно потрясает, красота перехода одних формул в другие.
Ну хорошо, вот мы как-то описали устройство протона каким мы его видим, но как же устроено это сильное взаимодействие? Конечно нужно подчеркнуть, что эти процессы исторически шли рука об руку. Нужно сказать, что сильное взаимодействие стоит немножко особняком из-за того, что сила этого взаимодействия очень сильно зависит от масштаба энергии рассматриваемых процессов. Описанием сильного взаимодействия занимается Квантовая хромодинамика (КХД). Как это не странно выглядит со стороны, но методы КХД хорошо работают при очень высоких энергиях, а при малых энергиях они ещё не на высоте. Одной из главных загадок являются массы адронов $-$ частиц, состоящих из кварков, например, протонов, нейтронов, $\pi$-мезонов. Например, масса протона 938 МэВ с копейками, а масса кварков, из которых он состоит, почти на два порядка меньше. Как такое может быть? Кстати, термин «адрон» для общего наименования элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию предложил советский замечательный физик-теоретик Лев Борисович Окунь. 23 ноября 2015 года он умер, к сожалению.
В КХД кварки взаимодействуют между собой, обмениваясь глюонами, подобно тому как электрически заряженные частицы в КЭД взаимодействуют обмениваясь фотонами. Но в отличие от КЭД, где элементарный заряд один, сильного взаимодействия может принимать три значения. Эти квантовые числа, заряды сильного взаимодействия, принято обозначать цветами: «красный», «синий» и «зеленый». Ничего общего с видимыми глазом цветами эти обозначения не имеют. Фейнман так отозвался об этом в своей лекции: “The idiot physicists, unable to come up with any wonderful Greek words anymore, call this type of polarization by the unfortunate name of 'color,' which has nothing to do with color in the normal sense.” В КЭД у заряда есть двойник с противоположным знаком, в КХД у каждого из трёх цветовых кварков, есть антипод антикварк с антизарядом: «анти-красный». «анти-синий» и «анти-зелёный». В КЭД переносчик взаимодействия (фотон) электрически нейтрален, в КХД глюоны сами обладают цветовым зарядом да не одним. Всего глюонов 8 типов именно столько набирается комбинаций, которые не являются инвариантными относительно вращений в цветовом пространстве. Шесть из них простенькие: «красный-антизелёный», «красный-антисиний», «зеленый-антикрасный», «зеленый-антисиний», «синий-антикрасный» и «синий-антизелёный». Также есть еще две комбинации, которые можно выбрать как «“(красный-антикрасный - зелёный-антизелёный)/√2» и «(красный-антикрасный + зеленый-антизелёный - 2*синий-антисиний)/√6». Как цвет можно поделит на число не спрашивайте, всё равно не расскажу. Например, «синий» кварк может испустить «синий-антизелёный» глюон и превратиться при этом в «зелёный» кварк. Обмен цветами в барионе $-$ частичке состоящей из трёх кварков можно нарисовать движение цвета. Когда стрелочка направлена назад это соответствует антицвету. Вот кстати валентные кварки, а вот морские кварки и антикварки.
Тут я хочу еще раз подчеркнуть, что все это не имеет к оптическим цветам никакого отношения и сделано исключительно для популяризации. Но согласитесь если бы я тут произнёс фразу: “Сильному взаимодействию присуща новая внутренняя степень свободы, что означает, что кварковому полю приписывается определённый вектор состояния единичной длины в некотором комплексном трёхмерном пространстве. Вращения в этом пространстве, то есть линейные преобразования, сохраняющие длину, образуют группу SU(3). Что для построения теории используется стандартный принцип калибровочной инвариантности, когда лагранжиан сильного взаимодействия инвариантен относительно глобальных калибровочных преобразований кварковых и антикварковых полей...” То понятней бы вряд ли стало. Но при этом эти бы слова в точности соответствовали тому принципу по которому строятся СМ.
При этом сильному взаимодействию присущи два очень интересных и интуитивно не очень понятных явления. Первое, это так называемое явление асимптотической свободы. Оказывается, в отличие от обычных электрических зарядов на малых расстояниях (или при высоких энергиях, что, собственно, одно и то же) кварки ведут себя почти как свободные частицы. Это позволяет использовать КХД при больших в режиме теории возмущений, описывать эффекты приближенно, ибо каждая следующая уточняющая поправка меньше предыдущей. Второе явление это так называемое кварковое пленение или проще говоря конфайнмент. Все наблюдаемые адроны бесцветны, хотя внутри их есть цветные кварки и глюоны. То есть цветовой заряд, а значит и его носитель кварк или глюон нельзя выдрать из адрона. В отличии от КЭД, где электрические заряды тоже могут образовать нейтральную систему, но их можно разделить. Если мы попытаемся вытащить кварк, то сила взаимодействия будет растет с расстоянием, будто бы натягивается струна, которая в какой-то момент рвется, при этом образуется кварк-антикварковая пара, и у вас в руках появятся два адрона, но снова бесцветных. Конфайнмент подтвержден расчетами решеточной КХД, но математически не доказан. Поиск этого доказательства — одна из семи «задач тысячелетия», объявленных Математическим институтом Клэя.
И вот мы подошли к самому интересному, как из цветных объектов скомпоновать бесцветные. Можно взять цветной кварк и антикварк с антицветом и тогда вы получите мезоны. А можно взять три кварка разных цветов и снова получить бесцветный объект, как смешивая цвета радуги можно получить белый цвет. Из трёх кварков состоят барионы.
Кварки различаются не только цветом, но и типами или как говорят физики ароматами. Есть три кварка с дробным электрическим зарядом +⅔, их обозначают буквами $u$, $c$ и $t$. И три кварка с зарядом -⅓ : $d$, $s$ и $b$. Из этих шести $t$-кварк очень массивен, быстро распадается (в $b$-кварк и $W$-бозон) и не успевает образовать связанные состояния. А вот из пять оставшихся кварков (и пять антикварков) можно комбинировать между собой, составляя из них мезоны или барионы. При этом нужно помнить, что одной и той же комбинации могут соответствовать несколько состояний, например отличающихся по орбитальному моменту. (очень-очень грубо, тем как кварки крутятся друг вокруг друга в адроне). Вот несколько примеров мезонов: $K^+=u\bar{s}$, $B_{s}^{0}=b\bar{s}$, $J/\psi=c\bar{c}$ или барионов: $p=uud$, $n=udd$, $\Omega^{-}=sss$, $\Xi_{c}^{+}=usc$, $\bar{\Xi}_{c}^{-}=\bar{u}\bar{s}\bar{c}$, $\Lambda_{b}^{0}=udb$.
С мезонами и с барионами разобрались, а можно ли скомпоновать бесцветные объекты другими способами? Да! Причем первыми это предложили те, кто кварки придумал $-$ Мюрей Гелл-Манн (он и предложил назвать их кварками, позаимствовав это слово из романа Джеймса Джойса “Поминки по Финнегану”) и Джордж Цвейг (он называл точечные частицы с дробным зарядом тузами - aces). В своих работах января 1964 года они оба указывают, что возможны комбинации и другие комбинации для барионов четыре кварка плюс один антикварк и для мезонов, два кварка плюс два антикварка. Слово пентакварк придумал Гарри Липкин английский физик-теоретик. Термин, не смотря на то, что он слегка сбивает с толку, прижился.
Почему же так важен пентакварк? Есть надежда, что спектроскопия подобных экзотических состояний поможет объяснить микроскопическую природу конфайнмента, или хотя бы сильно ограничить круг теоретических моделей, пытающихся описать это явление, ну и зажать параметры этих моделей. Мы все таки поймем как берется масса, составляющая 99% массы всей видимой нами материи.
С 2003 году эксперимент LEPS сообщил об обнаружении частицы $\Theta^{+}$ с массой 1540 МэВ, которая предположительно являлась пентакварковым состоянием. Нужно отметить что, в 1997 году физики-теоретики из Петербургского института ядерной физики Дмитрий Дьяконов, Виктор Петров и Максим Поляков предсказывали существование пентакваркового состояния с массой 1530 МэВ. В 2003 году появилось несколько публикаций подтверждающих это открытие, но в последующие несколько лет множество проверочных экспериментов с более высокой статистикой не дали однозначного ответа о том, действительно ли это состояние существует или сигнал является следствием статистической флуктуации.
Важно отметить, что так как физику делают физики, то есть люди, то могут проявляться чисто человеческие слабости. Например, когда сообщается об открытии, то критика, с которой подходят к своим результатам, снижается. Более того неосознанно авторы могут пытаться подобрать такие условия отбора, которые максимизируют сигнал в данных. Это очень опасная ошибка, потому что таким образом можно “вырастить” статистическую флуктуацию. Часто есть соблазн опубликоваться на гребне волны и срубить много цитирований. Я подчеркну это неосознанное желание, просто энтузиазм захватывает.
Могу от себя сказать, что в 2013 году я неожиданно обнаружил как некоторый тип ошибок треккинга, когда одна частица дает один трек, который распознается как два трека двух частиц может дать сигнал в районе 1540 МэВ. Это оказало на меня очень отрезвляющее действие, потому что энтузиазм в первое время меня залил.
В этом плане показательна история эксперимента COSY-TOF, расположенного в НЦ Юлих. Я там в то время делал кандидатскую и видел все. Они опубликовали вот этот спектр, где на плохой статистике можно при желании увидеть пик. Эта публикация $-$ самая цитируемая публикация этого эксперимента и третья по цитируемости (по крайней мере была) со всего десятка экспериментов ускорителя COSY. Пучковое время довольно дорогое, даже для небольших ускорителей типа COSY $-$ порядка 1500-2000 евро в час только за электричество. Эксперимент COSY-TOF получил на специальном комитете, распределяющем ускорительное время порядка десятка недель на исследование пентакварка. После трёх лет обработки данных, хотя их очень торопили три независимые группы анализа данных дали отрицательный результат, который укладывается вот в эту полоску. Сравните статистические неточности изначального эксперимента и ширину полоски. Так происходят закрытия.
Отдельно подчеркну всё еще есть некоторые соображения, которые могут объяснить столь противоречивые сигналы, интерпретируемые как $\Thete^{+}$ с массой 1540 МэВ, но эта тема стала очень “токсичной” и многие предпочитают ей не заниматься. Более того под неё сложно найти финансирование. Но я надеюсь, что в ближайшие лет десять-пятнадцать мы всё таки получим ответы на вопрос $-$ что это такое?
История открытия пентакварка экспериментом LHCb как и любая история полна случайностей. При этом я настаиваю, что частицы открытые LHCb скорее всего были бы открыты чуть раньше или чуть позже. Современный эксперимент физики высоких энергий требует очень хорошей организации. Для проектирования, постройки, запуска, калибровки и анализа данных нужно выстроить целую “научную фирму” с множеством отделов. Авторский лист LHCb немногим меньше 700 человек. И понятно, что каждый заниматься всем не может. Каждый институт входящий в сотрудничество имеет свою зону ответственности. Например Петербургский институт ядерной физики, в котором я работаю отвечает за разработку, строительство, модернизацию, а самое главное поддержание в рабочем состоянии системы регистрации мюонов нашего детектора.
Экспериментальная установка LHCb состоит из нескольких систем. Давайте я кратко расскажу из каких, а самое главное зачем они нужны. Итак, столкновение протонных пучков происходит вот в этой точке. В столкновениях рождаются субатомные частицы, которые летят во все стороны. Однако наш детектор может регистрировать частицы вылетающие только в одну полусферу поду углами от 10 до 250 мрад. Всё дело в том, что при столкновениях протонов тяжёлые $с$- и $b$-кварки вылетают преимущественно вперед, а наш эксперимент заточен именно под изучение адронов содержащих в своем составе очарованный и прелестный кварки.
В миллиметрах от линии столкновения пучков находится пластины полупроводникового позиционно-чувствительного детектора (VELO от англ. VErtex LOcator). С его помощью можно восстановить точку, где провзаимодействовали два протона (так называемую первичную вершину), характеризующуюся тем. что из нее вылетает много частиц, а следовательно много восстановленных по “хитам” вершинного детектора треков будут лететь из одной маленькой области пространства. Более того, можно восстановить, а главное выделить, треки от распадов короткоживущих частиц, которые произошли в некотором отдалении от первичной вершины. Действительно, треки таких частиц “смотрят” не в первичную вершину, а мимо нее. Для них можно рассчитать минимальную дистанцию от их трека до первичной вершины $-$ прицельный параметр (impact parameter). Вводя некоторые ограничения на неё можно выделять $c$- и $b$-адроны. Если вы посмотрите в справочник, то увидите, что время жизни $b$-адронов порядка полутора пикосекунд. Свет проходит в вакууме примерно 300 микрон за пикосекунду, поэтому нам необходимо пространственное разрешение на микронном уровне, и детекторная система VELO обеспечивает такое разрешение.
То что полупроводниковые детекторы можно расположить столь близко от точки пересечения встречных пучков, было совсем не очевидно. Первым предложил попробовать сделать так был немецкий физик Питер Шляйн, который в 1992 году в ЦЕРНе сделал специальный эксперимент, после которого стало понятно, что такая концепция вершинного детектора возможна. В то время запуск БАК в тоннеле от Большого Электрон-Позитронного Коллайдера (LEP) был уже одобрен и выбиралась концепция для эксперимента ориентированного на прецизионное измерение свойств $b$-адронов. Предложение концепции детектора Шляйна носило имя COBEX. Однако были еще два альтернативных предложения GAJET и LHB (не путать с LHCb). Надзорный комитет отклонил все три предложения, но подчеркнул важность данного направления исследований и предложил трём группам объединиться и создать на на базе трех проектов один. Проект LHCb был создан, однако в процессе работы над ним Питер Шляйн умудрился рассорится почти со всеми и вынужден был уйти. Так что фактически биологический отец нашего эксперимента не является соавтором ни одной из физических публикаций сотрудничества.
Дальнейшая научная судьба Шляйна тоже была в какой-то мере печальной. Он вместе со своей научной группой вошел в состав эксперимента HERA-B (мой коллега, которого я расспрашивал о том, почему этот эксперимент не взлетел, настойчиво просил меня называть его ГЕРА-Би). Однако этот эксперимент окончился неудачей. Со слов коллег (о неудачах не рапортуют на конференциях) виной тому неудачная треккерная система. Оказалось что в условиях радиационных загрузок эксперимента, которые не были должным образом смоделированы, на проволочках пропорциональных камер начинает налипать частички клея. Проволочки рвались. Были предприняты колоссальные усилия для того, чтобы спасти эту систему. Её буквально озолотили, покрыли тонким слоем золота и в результате она одна стоила столько же, сколько планировалось потратить на всю установку. Но это не помогло. Треккерная система сгорела и эксперимент, который и так запустился с отставанием быстро свернули. Рассказываю я это, чтоб подчеркнуть то, сколько труда должно быть вложено в современный физический эксперимент на супер-ускорителях.
Еще нельзя не отметить, кстати, роль моего начальника Алексея Алексеевича Воробьева. Изначально он входил в инициативную группу предложения COBEX. Как рассказывает он, а главное как подтверждают коллеги этот человек буквально примирил три команды. А споры и обиды были нешуточные, и нужно было убедить идти на компромиссы. Ну и, говорят, он отстоял идею одиночного дипольного магнита, а не системы из квадрупольного и дипольного, как сначала предлагалось.
Трассирование частиц проводится не только в непосредственной близости от точки их рождения, но и на всем протяжении детектора. Для треккинга в LHCb предусмотрены две специальные треккерные системы (Inner и Outer Trackers). А для треккинга мюонов, частиц с высокой проникающей способностью, пролетающих весь детектор насквозь предусмотрена специальная мюонная система (MUON), которой и занимается наш институт.
Сам по себе трек от элементарной частицы вещь интересная, но малополезная, хотелось бы знать больше. А чтобы знать больше вот тут у нас стоит дипольный магнит. Как вы все хорошо помните летящая заряженная частица отклоняется в магнитном поле. Соответственно зная массу частицы и измерив искривление трека можно узнать для нее отношение импульса к заряду.
Но как узнать, тип частицы? Для этого в LHCb предусмотрены два специальных детектора черенковского излучения $-$ RICH (Ring Image CHerenkov detectors). Эффект Вавилова-Черенкова состоит в том, что если частица движется в какой-либо среде быстрее чем скорость света в этой среде, то она испускает фотоны (свет) и не абы как, а в конус угол раствора которого зависит от скорости частицы, поэтому собрав свет, а в RICH’чах предусмотрена специальная система зеркал для этого, можно по размеру кольца и зная скорость частиц из треккера можно довольно достоверно определить тип заряженной частицы.
Хорошо, с заряженными частицами вроде разобрались, а как же быть с фотонами, которые треков не оставляют. Для выделения фотонов у нас есть специальная часть прибора $-$ электромагнитный калориметр. Материал, из которого он сделан, подобран таким образом, чтобы фотоны (и электроны) в нём останавливались, оставляя в нём всю свою энергию, а заряженные частицы других типов, проходили его без особых энергетических потерь. Заметьте, электромагнитный калориметр большое подспорье при выделении электронов. Если видите трек от заряженной частицы, кончается ливнем в калориметре, то перед вами с большой вероятностью электрон.
Адроны останавливаются и регистрируются в адронном калориметре. Тоже очень полезная система, для быстрого выделения частиц нужного сорта. И как я уже говорил мюоны пролетают всё насквозь и регистрируются мюонной системой. Кстати, ~70% всех научных работ LHCb включают в себя регистрацию мюонов. Открытие пентакварков тоже.
Записать весь поток информации со всех детекторных систем для всех событий просто не представляется возможным. Для того чтобы записать информацию необходимо некоторое время. За это время придет несколько других событий, которые вы потеряете потому, что детектор занят записью предыдущего события. При этом неинтересные событий гораздо чаще приходят, чем интересные, поэтому пытаясь записывать на диски всё вы будите записывать только мусор. Да и места на дисках не хватит всё равно. Поэтому необходимо очень быстро принять решение потенциально интересно именно это столкновение протонов или нет. Это делает система онлайн-отбора событий $-$ триггер. В первом сеансе БАК триггер нашего эксперимента состоял из трех уровней. На нулевом уровне электроника быстро решала например, есть ли потенциальные треки от мюона, или “вспышка” в калориметрах от фотонов или адронов. На следующем уровне на специальной компьютерной ферме треки из событий, прошедших L0-отбор частично реконструировались и среди них искались интересные. Дальше на последнем уровне триггер событие полностью восстанавливалось и принималось решение, интересно ли оно для какой-либо конкретной физической задачи или нет. Если да, то оно записывалось на диск для дальнейшей оффлайн-обработки.
Дальше записанные события централизовано реконструируются и после этого к ним можно получить доступ, но не напрямую, а через соответствующую рабочую группу. Сейчас в LHCb восемь таких групп, каждая из которых занимается конкретными типами распадов и(или) измерений. Я, например, провожу свои изыскания в рамках “Charm Working Group”, которая занимается изучением рождения и распадов частиц. содержащих в своем составе очарованный кварк (он же c-кварк). Открытие пентакварка было сделано в группе “B hadrons and Quarkonia”, которая в частности занимается физикой с димюонными распадами $c\bar{c}$- и $b\bar{b}$-систем. Обычно физик или группа физиков развивают какой-то анализ (измерение какой-либо физической характеристики), докладывают на совещаниях (митингах) рабочих групп, как у них движется дело, полностью документируют свой анализ (документ называется Analysis Note). Исследования проходят несколько стадий одобрения. На уровне рабочей группы, на уровне сотрудничества (нужно получить разрешение коллаборации на публикацию результата), на уровне написания статьи (проходит в два этапа). При этом на каждом из уровней назначаются внутренние рецензенты или институты-рецензенты. Это коллективная работа, в которую каждый вносит свою лепту. Собственно поэтому не поощряется выпячивание своих достижений, результаты общие. Общая, кстати, и ответственность за неправильные измерения. Никогда не забуду, как летом 2013 на одной конференции мне пришлось отдуваться за один не побоюсь этого слова “сенсационный” результат, который успел к тому времени рассосаться (там была допущена небольшая неаккуратность, на которую наложилась статистическая флуктуация).
Распадом, в котором в итоге был обнаружен пентакварк занималась группа общим руководителем которой был Шелдон Стоун, профессор из Университета города Сиракузы (США). Как это не странно, но он должен был быть главным конкурентом нашего эксперимента. В США была большая программа по изучению физики тяжелых ароматов, которая началась с открытия открытия, продолжилась экспериментами CLEO, а потом BaBar в Стэнфорде. Логичным продолжением этой научной программы, которая должна была конкурировать с LHCb, а также с японским экспериментом Belle, был эксперимент BTeV на протон-антипротонном коллайдере Тэватрон (Национальная лаборатория им. Ферми, США). И вот, когда всё было готово к строительству и инсталляции детектора произошло следующее. Смотрим видео. США свернули всю b-физику и это был удар для американских ученых, которые жизнь положили на это направление. Но Шелдон горевал недолго, а просто перешел в LHCb со всей группой. И я скажу, это было большим везением, потому что это супер-профессионалы, у которых можно многому научиться.
Распадом $\Lambda_{b}^{0}\to pK^{-}J/\psi$, то есть распадом $\Lambda_{b}^{0}$-гиперона (частицы, состоящий из {$udb$} кварков) на протон {$uud$}, $K^{-}$-мезон {$s\bar{u}$} и $J/\psi$-резонанс {$с\bar{с}$}, люди Шелдона занялись почти случайно. Они занимались довольно редким распадом $B^{0}\to K^{+}K^{-}J/\psi$, который собственно и открыли. Однако в процессе внутреннего рецензирования коллаборации Тим Гершон предложил рассмотреть $\Lambda_{b}^{0}\to pK^{-}J/\psi$ как один из возможных физических фонов. Действительно, есть конечная вероятность принять протон за $K^+$-мезон (вот вклад от этого канала). Еще оказалось, что этот канал распада $\Lambda_{b}^{0}$-гиперона очень “чистенький” и хорош для исследования свойств этой частицы. Тут протон и $K^-$-мезон напрямую регистрировались LHCb, а характеристики $J/\psi$ восстанавливались по характеристикам мюонов из распада $J/\psi\to\mu^{+}\mu^{-}$. Одним из таких свойств является время жизни. Тут следует отметить, что одной из важнейших составляющих современного физического эксперимента физики частиц является его математическое моделирование. В частности существует подробнейшая модель LHCb, при помощи которой мы определяем эффективность своего детектора. Часто, когда измеряется характеристика связанная с родительской частицей модель её распада легче взять из самих данных. Произнося слова, модель распада я имею в виду следующее, ожидалось, что в подавляющем большинстве случаев исследуемый распад носит двухступенчатый характер, то есть идут процессы с образованием промежуточных возбужденных $\Lambda$-резонансов (системы {$uds$}), то есть процессы $\Lambda_{b}^{0}\to J/\psi\Lambda^{*}(\to pK^{-})$. Этих довольно много и для того чтобы увидеть какой именно вклад они вносят можно построить так называемую диаграмму Далица. В силу законов сохранения энергии и импульса продукты распада тяжелых частиц на более легкие должны иметь “согласованные” импульсы. Поэтому промежуточные $\Lambda$-резонансы были, но на диаграмме присутствовала эта полоска. И это стало очень интересно.
Полоска свидетельствуют о наличии другого канала распада $\Lambda_{b}^{0}\to K^{-} P_{c}^{+}(\to p J/\psi)$, когда на первой стадии вместе с $K^-$-мезоном образуется новая тяжелая частица (обозначают её символами $P_{c}^{+}$) , которая вскоре сильным образом, т.е. фактически путём перегруппировки входящих в её кварков и антикварков, распадается на протон и $J/\psi$. Для того чтобы проверить, не является ли эта горизонтальная полоса следствием интерференции вкладов от известных $\Lambda^{*}$-резонансов, исследователи попытались (пособытийно) описать массовые и угловые распределения событий при помощи модели включающей все известные на сегодняшний день $\Lambda^{*}$-резонансы. Попытка провалилась, особенно хорошо это заметно если построить проекцию данных и модели на распределение по инвариантной массе протона и $J/\psi$-резонанса. Следующим сюрпризом оказалось то, что включение в модель одного пентакварка не дает полного согласия между данными и моделью. Только после включения в модель второго более широкого резонанса в системе протон-$J/\psi$ позволяет получить разумное согласие между моделью и данными.
Два пентакварковых состояния имеют массы 4380±8±29 МэВ и 4449.8±1.7±2.5 МэВ, ширины этих состояний составляют 205±18±86 МэВ и 39±5±19 МэВ соответственно. Столь широкие состояния означают, что они очень быстро распадаются, а значит их распад скорее всего связан с перегруппировкой кварков, входящих в их состав, т.е. распад происходит под действием сильного взаимодействия. Распады проходящие под действием электромагнитного или слабого взаимодействия имеют гораздо меньшие ширины. Также с помощью вот таких диаграмм можно показать, что более распады носят резонансный характер.
Замечательно! Но это открытие лишь первый шаг. Нужно подтверждение этого открытия, желательно другим экспериментом. Хорошо бы найти другие каналы распада этих пентакварков. Хорошо бы найти подобные состояния, но с другим кварковым составом. Хорошо бы понять внутреннее устройство найденных состояний, “истинный” ли это пентакварк или адронная молекула. Вопросов море и это ужасно интересно. Вот буквально через неделю у нас в ПИЯФе пройдет внутренняя конференция, где мы будем обсуждать вместе с теоретиками детали этой работы, а также что и как лучше делать дальше.
Ну и выводы: