Фізики CERN виявили нову частинку, схожу на протон, але значно важчу за нього. Це відкриття стало першим після масштабної модернізації детектора LHCb на Великому адронному колайдері, завершеної у 2023 році. Знахідка допоможе фізикам краще зрозуміти сильну взаємодію – силу, яка утримує разом кварки всередині протонів, нейтронів та інших частинок. Про відкриття CERN повідомив на своєму сайті.
Художнє зображення нової частинки, подібної на протон, але у чотири рази важчої за нього. Вона складається з двох charm-кварків (c) й одного down-кварка (d). CERN
Які частинки шукали у Великому адронному колайдері?
Протон часто сприймають як одну з базових цеглинок матерії, але й він сам є складеною частинкою. Усередині протона є три кварки, які утримує сильна взаємодія – одна з чотирьох фундаментальних сил природи. Саме вона зв’язує кварки всередині протонів і нейтронів, а через них – і ядра атомів.
Кварки бувають шести типів, і з них можуть складатися різні частинки. Пари кварків утворюють мезони, а трійки – баріони. До баріонів належать і добре знайомі нам протони та нейтрони, але існують і значно рідкісніші їхні різновиди. Більшість із них нестабільні: вони виникають лише на мить і майже одразу розпадаються. Тому такі частинки неможливо побачити напряму, а відловлюють їх за слідами продуктів розпаду після зіткнень частинок великої енергії.
Для пошуку нових таких нестабільних і надзвичайно рідкісних частинок фізики CERN модернізували експеримент LHCb – один із головних детекторів Великого адронного колайдера, спеціально створений для вивчення частинок із важкими кварками. І вперше після оновлення науковці «зловили» невідому досі частинку, яка не лише поповнила список елементарних частинок, але й підтвердила вдосконалення роботи інструмента LHCb.
Яку частинку знайшов новий детектор?
Оскільки побачити нестабільні частинки напряму неможливо, у Великому адронному колайдері зіштовхували протони з великою енергією та стежили за тим, які сигнали виникнуть після цього. Так зафіксували нову частинку, що належить до баріонів, як і звичні нам протони. Вона теж складається з трьох кварків, але їхні типи відрізняються від кварків у протоні. Якщо протон містить два up-кварки й один down-кварк, то в новій частинці два легкі up-кварки замінені двома charm-кварками, які значно важчі. Через це вона виявилася майже вчетверо масивнішою за протон, тож нову частинку можна назвати його важким і короткоживучим родичем. Вона не є новим будівельним блоком звичної речовини, але допомагає краще зрозуміти, як поводяться кварки в незвичних комбінаціях.
Це не перша така частинка, відома фізикам. У 2017 році експеримент LHCb уже відкрив її близького родича – баріон із двома charm-кварками, але з іншим третім кварком. Тепер до цього невеликого сімейства додався ще один представник. А коли фізики мають не один, а кілька близьких прикладів, вони можуть точніше порівнювати їхні властивості між собою і перевіряти свої теорії щодо сильної взаємодії, яка утримує кварки всередині більших частинок. Знайти нову частинку було особливо складно, бо вона, ймовірно, живе ще менше, ніж її вже відомий родич. Для дослідників це означає слабший слід у даних: чим коротше існує частинка, тим важче відрізнити її сигнал від фону та випадкових збігів.
Що це відкриття змінює для фізики частинок?
Фізики давно описують сильну взаємодію теоретично, але що складніша внутрішня будова частинки, то важче точно передбачити її властивості. Тому кожна нова рідкісна частинка стає ще однією перевіркою того, наскільки добре теорія збігається з реальністю. У випадку нової важкої родички протона це означає ще одну підказку про те, як сильна взаємодія організовує матерію на найглибшому рівні. А отже, і ще один крок до розуміння того, як із найдрібніших частинок виникає весь знайомий нам світ.
Для фундаментальної науки це важливо ще й тому, що межа між тим, що вдалося побачити, і тим, що лишається прихованим, часто залежить не лише від природи самої частинки, а й від чутливості приладів. І виявлення цієї нової частинки є підтвердженням того, що інструмент LHCb вже здатний вловлювати ті форми матерії, які раніше залишалися невидимими для інших детекторів.
Як шукають рідкісні частинки
⚛️ У 2024 році фізики CERN зафіксували рідкісний розпад частинки каона, який підтвердив передбачення Стандартної моделі, що описує фізику елементарних частинок.
⚖️ Також дослідники CERN перерахували масу W-бозона, спростувавши аномальні вимірювання 2022 року, які суперечили Стандартній моделі.
💫 Рідкісні частинки прилітали на Землю і з космосу: найбільш енергетичне нейтрино зафіксували на Землі улітку 2024 року.
🔎 Також астрофізики заявили, що їм уперше вдалося виявити частинки темної матерії, які досі не міг знайти жоден земний детектор.
