Учёные из МИФИ пролили свет на экзотическую природу частицы X(3872)

В 2020 году сотрудники МИФИ, Сергей Поликарпов и Руслан Чистов, работающие на БАК в коллаборации CMS, опубликовали в arXiv [1] и журнале Physical Review Letters работу по первому наблюдению распада B0s → X(3872) phi "Observation of B0s → X(3872) phi" [2].

Вслед за публикацией в arXiv, авторами этого исследования при поддержке англоязычных коллег из CMS, была подготовлена заметка "CMS reaffirms the exotic nature of the X(3872)" в престижном международном журнале Cern Courier [3].

Что же обращает на себя внимание в этой работе? В чем интерес широкой научной аудитории к ней?

Начиная с открытия Х(3872) в канале распада на J/psi pi+ pi- в 2003 году в эксперименте Belle [3], физикам сразу стала очевидной необычная природа этой частицы. (Статус необычности или экзотичности подчеркивается термином чармониеподобное состояние).

Во-первых, еë масса "случайно" оказалась равной, в пределах ошибок, сумме масс D*0 и анти-D0 мезонов.

Во-вторых, ни одно из предсказываемых теорией чармониевых состояний даже близко не имело такую массу. Далее, измеренная натуральная ширина Х(3872) оказалась совместимой с нулем, что до тех пор никогда не имело место быть для чармония с массой выше порога открытого чарма (сумме масс D и анти- D мезонов). И, наконец, последующими измерениями было надежно установлено, что это новое состояние не имеет определенного изоспина, в то время как изоспин классического чармония всегда равен 0.

Впоследствии, в экспериментах Belle, BaBar, BES III и LHCb были открыты более 20 чармониеподобных состояний за прошедшие 17 лет. При этом, что также явилось большим сюрпризом, несколько из этих состояний имеют ненулевой электрический заряд!

Каково природа этих новых частиц, какой их кварковый состав?

Как и для Х(3872), так и для всех остальных чармониеподобных частиц из всë расширяющегося списка, на данный момент нет чëткого, зафиксированного ответа на эти вопросы. Если говорить о Х(3872), то существует несколько теоретических моделей, описывающих его природу и объясняющих его свойства. Наиболее обсуждаемыми являются молекулярная и тетракварковая модели. В первой Х(3872) представляет собой связанное состояние D*0 и анти-D0 мезонов, которые связаны одно-пионным обменом. Во второй модели, наше чармониеподобное состояние является компактным четерëхкварковым образованием (с анти-с u анти-u).

Безусловно, дальнейший прогресс в понимании того, что же из себя представляет Х(3872), связывается с новыми экспериментальными данными и измерениями его свойств. Одним из направлений, в котором эксперимент может сказать новое слово о свойствах Х(3872), является поиск и обнаружение новых источников его рождения и, в частности, новых каналов распада прелестных адронов (содержащих b- кварк) в конечное состояние с Х(3872). Именно такой новый распад, B0s → X(3872) phi, и был открыт учëными из МИФИ в CMS (Рис.1).

Рис. 1. Сигнал Х(3872) в распределении по инвариантной массе J/psi pi+pi- из распада B0s мезона.

На сегодняшний день известно, что основным "поставщиком" Х(3872) из распадов прелестных адронов является распад B+ → X(3872) K+. Также есть измерение вероятности распада B0 → X(3872) K0, но с гораздо меньшей точностью, чем в случае В+. Сравнение отношения вероятностей этих распадов Br(B0 → X(3872) K0) / Br(B+ → X(3872) K+) = 0.50 +- 0.16 с таким же отношением, но для конечного состояния с чистым классическим чармонием Br(B+ → psi(2S) K0) / Br(B+ → psi(2S) K+) = 0.94 +- 0.09 указывает на то, что механизмы рождения Х(3872) и psi(2S) в распадах прелестных мезонов отличаются и, кроме этого, Х(3872) по-разному рождается из В0 и В+ мезонов.

Однако, как и было отмечено ранее, данные по распаду В0 мезона имеет весьма ограниченную точность. Новым источником наших знаний о рождении Х(3872) как раз и явился впервые обнаруженный распад B0s мезона, с числом событий в сигнале на порядок превышающем имеющееся на данный момент число для В0. Так, аналогичные случаю с В0 мезоном, новые отношения для В0s мезона были измерены равными Br(B0s → Х(3872) phi) / Br(B+ → X(3872) K+) = 0.48 +- 0.10 и Br(B0s → psi(2S) phi) / Br(B+ → psi(2S) K+) = 0.87 +- 0.10.

Теперь мы с уверенностью говорим, что механизм рождения Х(3872) в распадах нейтральных мезонов отличается от случая В+. Также, становится очевидным и вывод о том, что классический чармоний psi(2S) и экзотическое состояние Х(3872) по-разному рождаются в распадах прелестных мезонов. Оба заключения как раз и свидетельствуют о том, что Х(3872) не является чистым чармонием, а, напротив, имеет более сложную кварковую структуру.

Таким образом, новый распад B0s мезона проливает свет на природу самой первой из экзотических чармониеподобных частиц, Х(3872), и является шагом вперед к пониманию их природы и, в конечном итоге, пониманию всего многообразия и проявлений сильновзаимодействующих кварков и глюонов.

Есть все основания ожидать, что вместе с продолжением работы БАК нас ждут новые результаты по физике многокварковых состояний!

[1] arXiv:2005.04764

[3] https://cerncourier.com/a/cms-reaffirms-exotic-nature-of-the-x3872/

[2] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.152001