Международный эксперимент BESIII, работающий на электрон-позитронном коллайдере BEPCII в Китае, представил результаты одного из самых масштабных исследований барионов — частиц, состоящих из трёх кварков. К ним относятся хорошо известные протоны и нейтроны, а также более редкие и тяжёлые гипероны.
За последние годы детектор BESIII накопил огромный объём данных: около 10 миллиардов событий распада частицы J/ψ и ещё 3 миллиарда событий частицы пси(3686). Это один из крупнейших наборов данных такого типа в мире. Благодаря высокой точности измерений и низкому уровню фоновых сигналов физики смогли подробно изучить структуру барионов и их возбуждённые состояния.
Главная интрига этой области физики связана с проблемой «пропавших резонансов». Теория сильного взаимодействия предсказывает гораздо больше возбуждённых состояний барионов, чем удавалось обнаружить в экспериментах. Долгое время оставалось непонятно, где «прячется» значительная часть этих состояний.
Данные BESIII помогли существенно продвинуться в решении этой задачи. Эксперимент подтвердил существование целого ряда ранее предполагаемых резонансов — например N(2300) и N(2570), которые являются возбуждёнными состояниями нуклонов. Кроме того, были обнаружены новые состояния гиперонов.
Фото: BESIII / IHEP
Чтобы выделить такие частицы из сложных цепочек распадов, учёные применяют метод парциального волнового анализа. Он позволяет разделить вклад разных квантовых состояний и определить ключевые параметры частиц — их массу, ширину распада и квантовые характеристики, такие как спин и чётность.
Особый интерес вызвали результаты для омега-гиперонов — редкого семейства барионов. BESIII подтвердил существование состояния омега(2012)-минус и впервые обнаружил новый резонанс омега(2109)-минус. Его масса составляет примерно 2108 мегаэлектронвольт, а ширина распада — около 18 мегаэлектронвольт. Эти значения хорошо согласуются с расчётами решёточной квантовой хромодинамики — методом моделирования сильных взаимодействий на суперкомпьютерах.
Эксперимент также уточнил параметры других частиц, а для сигма(2330) впервые удалось определить спин и чётность. В некоторых каналах распада появились признаки возможных экзотических частиц — например кандидата в пентакварк сигма(1380)-плюс, который может состоять не из трёх, а из пяти кварков.
Полученные результаты значительно расширяют известный «каталог» барионных резонансов и помогают проверить теоретические модели сильного взаимодействия. По сути, речь идёт о более глубоком понимании того, как кварки объединяются в составные частицы.
В ближайшие годы объём данных BESIII продолжит расти. Кроме того, в Китае и других странах планируется запуск новых ускорителей — «фабрик тау-очарованных частиц» с ещё более высокой светимостью. Это позволит обнаружить новые состояния барионов и окончательно разобраться с загадкой «пропавших резонансов».
Для физики элементарных частиц такие результаты особенно важны: они помогают проверить предсказания Стандартной модели и лучше понять природу сильного взаимодействия — силы, которая удерживает кварки внутри протонов, нейтронов и других барионов.
