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 никакими другими экспериментами. Во время эксперимента Belle вёлся поиск этой частицы, но не было обнаружено никаких доказательств её существования.^[3]

Сценарий распада

Предполагаемый сценарий распада частицы X(4140):

История

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

В 2012 году появилась статья коллаборации LHCb, в которой описываются результаты поиска частицы X(4140) — или Y(4140), как еще ее иногда обозначают. 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.

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.

Коллаборация LHCb «прошлась» на интегральной светимости 0,37 fb-1 по той же цепочке распадов и не обнаружила никакого особо скоррелированного рождения J/Ψ и φ мезонов. Данные LHCb вполне укладываются в фон и не подтверждают находку Тэватрона.

Проблематика X(4140)

Интерпретация распада частицы X(4140) является серьезной проблемой для физиков. До сих пор известно, на самом деле 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