Необычный распад экзотической частицы указал на возможное объяснение её аномальной массы
Физики из коллабораций Belle и Belle II сообщили, что необычный распад экзотической субатомной частицы может пролить свет на её загадочную внутреннюю структуру. Результаты их работы, опубликованные в престижном физическом журнале, предоставляют первое «решающее различие» между существующими теоретическими моделями, описывающими частицу, известную как мезон Ds(2317).
История этого открытия началась более двадцати лет назад, когда учёные впервые обнаружили необычную частицу Ds(2317). Её уникальность заключается в том, что она содержит один очарованный кварк (c-кварк) и один странный антикварк. Тогда это событие вызвало большой резонанс, поскольку измеренная масса частицы составила 2,317 ГэВ/c², что значительно расходилось с теоретическими предсказаниями, оценивавшими её массу примерно в 2,4 ГэВ/c².
В новом исследовании учёные впервые описали ранее не наблюдавшиеся типы поведения этой частицы, включая неизвестные ранее световые излучения в процессе её распада. По мнению команды, эти данные не только являются важнейшим достижением в изучении подобных объектов, но и могут помочь разрешить давнюю загадку несоответствия между ожидаемой и реальной массой мезона Ds(2317). Кроме того, результаты способны дать физикам более глубокое понимание фундаментальных сил, связывающих материю.
Для решения этой задачи исследователи предложили ряд различных моделей, которые могли бы описать внутреннее устройство мезона Ds(2317). Ключевым моментом стало то, что каждая из моделей позволяет предсказать конкретный диапазон вероятных значений для распада частицы. Этот показатель был получен на основе сравнения вероятности того, что мезон распадётся с испусканием гамма-излучения, с вероятностью его распада с испусканием пиона — типа мезона, масса которого примерно в 270 раз превышает массу электрона.
Исходя из этих двух возможностей, команда определила, что измеренное значение соотношения, превышающее 8,1%, указывало бы на то, что мезон представляет собой компактное состояние в рамках кварк-антикварковых моделей. Однако если бы расчётное значение оказалось ниже, а именно в диапазоне от 0,5% до 4,25%, это свидетельствовало бы в пользу моделей, описывающих частицу как молекулоподобное состояние из двух связанных мезонов.
Вооружившись этими теоретическими ориентирами, учёные приступили к анализу данных, собранных на японских электрон-позитронных коллайдерах KEKB и SuperKEKB. С их помощью распад частицы с испусканием гамма-кванта был успешно зафиксирован, причём статистическая значимость результата превысила десять стандартных отклонений.
Последующие измерения показали, что соотношение распадов на фотоны и пионы составило около 7%, что оказалось меньше, чем предсказывают большинство кварк-антикварковых моделей, но больше, чем значения, характерные для молекулярных моделей. Как пишут сами авторы, этот результат обеспечивает решающее различие между теоретическими моделями структуры Ds(2317).
В перспективе исследователи полагают, что окончательно раскрыть тайну строения этого загадочного мезона могут помочь более полные измерения скорости его распада, которые планируется провести в будущем.
Исследование в журнале Physical Review Letters.