Омега-гиперон

В 1961 г. М. Гелл-Манном из Калифорнийского технологического университета (США) и независимо от него Ю. Нееманом из Тель-Авивского университета (Израиль) была открыта фундаментальная симметрия сильных взаимодействий, которую называют «восьмеричным путем», так как включает восемь математических операторов, связанных с кван­товыми числами частиц. Данная симметрия связана с восьмимерной группой SU(3) — группой специальных унитарных матриц размером 3 × 3. Группа SU(3) описывает симметрию между различными «ароматами» кварков. Закономерности, выявленные в рамках «восьмеричного пути», натолкнули физиков на мысль, что адроны могут состоять из более фундаментальных частиц — кварков^[3].

В физике элементарных частиц «восьмеричный путь» — это теоретическая схема, позволившая систематизировать и упорядочить представления о сильно взаимодействующих частицах — адронах. Название отсылает к буддийской концепции Благородного Восьмеричного Пути, ведущего к освобождению от страданий. Основная идея Гелл-Манна и Неемана заключалась в том, чтобы сгруппировать адроны в семейства (мультиплеты) на основе их свойств: спина, электрического заряда, странности и других квантовых чисел. Частицы внутри одного мультиплета имели близкие массы, одинаковые спин и чётность. Гелл-Манн и Нееман предложили располагать эти группы в виде геометрической фигуры — правильного шестиугольника с двумя частицами в центре. Такая структура получила название октета (группа из восьми частиц)^[4].

«Восьмеричный путь» позволил предсказать существование ещё не открытых частиц и объяснить структуру уже известных адронов. В частности, Гелл-Манн предсказал существование эта-мезона (η), который был открыт в 1961 г. Также было пред­сказано, что вершина пирамиды должна быть увенчана синглетом — частицей со странностью −3, спином 3/2, положительной чётностью, отри­цательным зарядом и массой около 1676 МэВ. Планомерные поиски этой частицы, уже тогда получившей название омега-минус, были вскоре начаты^[5].

• Н. Самиос — американский физик-экспериментатор. В 1959 г. установил, что пространственная чётность нейтрального пиона отрицательна. Совместно с другими учёными доказал несохранение чётности в распаде гиперонов (1957), открыл омега-минус-гиперон (1964), ${\displaystyle \Xi ^{*}}$-гиперон с массой 1530 МэВ и ряд других частиц. Самиос внёс значительный вклад в исследование нейтринных взаимодействий как в BNL, так и в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб). Эти работы включали в себя открытие очарованного лямбда-бариона (первого очарованного бариона) и ранних измерений упругого рассеяния нейтрино на электронах и пределов осцилляций нейтрино^[6].
• В. Барнс — американский физик. В 1962—1969 гг. работал в Брукхейвенской национальной лаборатории в должностях научного сотрудника, ассистента-физика и ассоциированного физика. В 1964 г. стал соавтором работы, в которой были представлены доказательства существования ${\displaystyle \Omega ^{-}}$. Барнс также участвовал в исследованиях на детекторе CDF II коллайдера Теватрон в Фермилабе.
• У. Фаулер — американский физик-экспериментатор, один из ключевых участников экспериментального открытия омега-минус-гиперона. Его роль заключалась в тщательном планировании и анализе фотоэмульсий в пузырьковой камере, с помощью которой была зарегистрирована эта частица. В 1963 г. Фаулер руководил научно-исследовательской группой, которая проанализировала, используя законы сохранения (в частности, сохранения странности), возможные каналы распада ${\displaystyle \Omega ^{-}}$до трёх наиболее вероятных вариантов:

1. ${\displaystyle \Omega ^{-}}$→ ${\displaystyle \Sigma ^{-}}$и ${\displaystyle \pi ^{0}}$;
2. ${\displaystyle \Omega ^{-}}$→ ${\displaystyle \Xi ^{0}}$ и ${\displaystyle \pi ^{-}}$;
3. ${\displaystyle \Omega ^{-}}$→ ${\displaystyle \Lambda ^{0}}$ и ${\displaystyle K^{-}}$.

Указанные цепочки распадов предстояло искать в экспериментальных данных. В результате анализа тысяч фотографий Фаулер и его коллеги обнаружили в пузырьковой камере события, которые однозначно соответствовали предсказанным каналам распада. Они идентифицировали треки частиц, восстановили их импульсы и вычислили массу «родительской частицы». Экспериментальное значение (около 1672 МэВ) хорошо совпало с теоретическим предсказанием Гелл-Манна (1685 МэВ), что стало триумфом систематики адронов на основе SU(3)-симметрии^[7].

Экспериментально омега-минус-частица была открыта в 1964 г. на ускорителе в Брукхейвенской национальной лаборатории (Brookhaven National Laboratory, BNL, США). В эксперименте пучок ${\displaystyle K^{-}}$(отрицательно заряженных каонов) с энергией 5000 МэВ попадал в пузырьковую камеру. Для того чтобы избе­жать появления большого числа треков в камере, ввод ${\displaystyle K^{-}}$ был ограничен вспрыскиванием 10—20 частиц. Учёные надеялись, что один из каонов провзаимодействует с протоном жидкого водорода и вызовет рождение ${\displaystyle \Omega ^{-}}$, которая будет иденти­фицирована по продуктам её дальнейшего распада.

Если бы пучок протонов с энергией 33 ГэВ из ускорителя (синхро­трона) направили в пузырь­ковую камеру, он породил бы колоссальное количество треков, поэтому выбрать отдельные случаи взаимодействия частиц было бы невозможно. М. Вебстер, один из физиков BNL, разрабатывал способы получения чистого пучка вторичных частиц, которые можно было бы использовать при работе с пузырьковой камерой. Пучок протонов из ускорителя, бомбарди­руя металлическую мишень, рождает поток вторичных частиц — пионов, каонов и др. Вебстер придумал систему для выделения каонов, рассеянных от такой мишени, и их дальнейшей фокусировки в пучок. Созданная система, в которой использовались электростатические сепараторы пучка, отклоняющие и фокусирующие магниты, имела длину 450 футов и формировала тонкий пучок, имевший высоту 0,06 дюйма. Этот пучок обладал энергией 5 ГэВ. Большая брукхейвенская пузырьковая камера содержала 900 л жидкого водорода и имела длину 80 дюймов. Она была оснащена тремя регистрирующими фотокамерами, электромагнитом, а также устройствами для определения заряда и других параме­тров частиц, которые формировали трек^[8].

14 декабря 1963 г. учёными BNL было начато фотографирование процесса бомбардировки пузырьковой камеры пучком ${\displaystyle K^{-}}$. К 3 ян­варя 1964 г. было получено 50 000 фотоснимков. По мере получения этих снимков изображённые на них треки тщательно анализировались, в частности, рассчитывались координаты точек, в которых имели место взаимо­действия или распады частиц, а также углы и кривизны треков, оставленные новыми частицами, возникающими в реакциях.

31 января 1964 г. была получена фотография с совокупностью треков, свидетельствующих о рождении ${\displaystyle \Omega ^{-}}$. Расположение треков указывало, что ${\displaystyle \Omega ^{-}}$распалась на ${\displaystyle \Xi ^{0}}$ и ${\displaystyle \pi ^{-}}$-мезон, которые затем также распались. Обсуждаемая фотография и диаграмма, на которой изображены наи­более важные треки, приведены на рисунке.

Последовательность событий, имевших место при обнаружении ${\displaystyle \Omega ^{-}}$, показана на диаграмме:

• внизу фотографии виден след ${\displaystyle K^{-}}$, который сталкивается с протоном в вершине F, рождая ${\displaystyle K^{0}}$, ${\displaystyle K^{+}}$и ${\displaystyle \Omega ^{-}}$;
• ${\displaystyle K^{+}}$ оставляет идентифицируемый трек. ${\displaystyle \Omega ^{-}}$ в вершине Ε распадается на ${\displaystyle \Xi ^{0}}$ и ${\displaystyle \pi ^{-}}$-мезон.
• ${\displaystyle \Xi ^{0}}$ идентифицируется по его продуктам распада, которые видны выходящими из вершины D: два γ-луча, которые дают начало электрон-позитронным парам (${\displaystyle e^{-}}$ и ${\displaystyle e^{+}}$) в С и В, и ${\displaystyle \Lambda ^{0}}$, которая в вершине А распадается на ${\displaystyle \pi ^{-}}$ и протон (${\displaystyle p}$).
• Знание масс и импульсов заряженных частиц, на которые распались нейтральные частицы, не оставляющие треков (пунктирные линии), достаточно физикам, чтобы их идентифицировать. В частности, было установлено, что третьей частицей, вышедшей из вершины F, был ${\displaystyle K^{0}}$.

Длина трека, оставленного ${\displaystyle \Omega ^{-}}$ в пузырьковой камере (около одного дюйма) показывает, что её время жизни равно примерно одной десятимиллиардной доле секунды, что является типичным временем жизни странных частиц. Распад странной частицы является слабым взаимодействием, в котором странность не сохраняется, а изменяется на единицу. Это правило отбора подтверждает, что сфотографированной частицей оказалась предсказанная ${\displaystyle \Omega ^{-}}$. Теоретически этой частице приписывалась странность −3, поэтому её распад должен был произойти на частицы с суммарным странным квантовым числом −2. Это соответствует наблюдавшемуся результату: странность ${\displaystyle \Xi ^{0}}$ равна −2, а странность ${\displaystyle \pi ^{-}}$-мезона равна нулю.

Спустя несколько недель после обнаружения первой омега-минус-частицы в пузырьковой камере была получена вторая такая же частица. На этот раз она распалась на ${\displaystyle \Lambda ^{0}}$ и ${\displaystyle K^{-}}$, в соответствии с одним из предсказанных способов распада ${\displaystyle \Omega ^{-}}$. У родившейся при этом ${\displaystyle K^{-}}$ имел место маловероятный распад на три ${\displaystyle \pi ^{-}}$-мезона — два отрицательных и один положительный. Из изучения следов обеих ${\displaystyle \Omega ^{-}}$в пузырьковой камере наиболее вероятное значение, полученное для их масс, равнялось 1675 МэВ, что находилось в хорошем согласии с величиной 1676 МэВ, предсказанной в рамках концепции «восьмеричного пути».

11 февраля 1964 г. редакцией журнала «Physical Review Letters» была получена статья «Observation of a Hyperon with Strangeness Minus Three»^[9], в которой содержалось сообщение об открытии омега-минус-гиперона в Брукхейвенской национальной лаборатории. Обнаружение ${\displaystyle \Omega ^{-}}$ стало убедительным подтверждением SU(3)-симметрии («восьмеричного пути») и привлекло внимание научного сообщества к гипотезе о её структурной физической основе, то есть модели кварков, опубликованной также в феврале 1964 г.^[10]

Эксперимент HyperCP (E871) (высокоскоростной спектрометр для изучения распадов элементарных частиц) проводился в лаборатории Фермилаб в 1997 и 1999 гг. на выведенном пучке протонов с энергией 800 ГэВ/с. Его главной задачей был поиск прямого нарушения CP-симметрии в распадах гиперонов ${\displaystyle \Xi ^{-}}$ и ${\displaystyle \Lambda }$.

Вторичные пучки заряженных частиц создавали путём бомбардировки мишени протонами с импульсом 800 ГэВ/c. Импульс отобранных частиц определяли с помощью магнитного канала, а продукты распада регистрировали с помощью магнитного спектрометра. В ходе эксперимента было зафиксировано примерно 231 млрд событий за примерно 12 месяцев сбора данных. Из них около 10 млн пришлось именно на распады ${\displaystyle \Omega ^{-}}$. На основе анализа этой статистики был выполнен поиск редких каналов распада ${\displaystyle \Omega ^{-}}$, в частности, исследована цепочка распада:

${\displaystyle \Omega ^{-}\rightarrow \Xi ^{0}(1530)+\pi ^{-}}$.

В рамках эксперимента HyperCP (E871) удалось не только подтвердить известные свойства ${\displaystyle \Omega ^{-}}$, но и получить информацию о редких распадах этой частицы^[13].

В 2017 г. коллаборация LHCb, работающая на Большом адронном коллайдере, объявила об обнаружении 5 новых тяжёлых барионов из семейства омега-гиперонов Ω_c. Это возбуждённые состояния кварковой тройки (ssc) с разными массами, значения которых лежат в диапазоне 3000—3120 МэВ. При ещё больших массах (около 3200 МэВ) была обнаружена широкая структура, точная идентификация которой пока не ясна.

Коллаборация LHCb выполнила поиск возбуждённых состояний Ω_c-системы с массой выше 2960 МэВ. Для этой цели была проанализирована практически вся накопленная статистика: это весь объём данных сеанса Run 1 (полная интегральная светимость 1 fb⁻¹ на энергии 7 ТэВ и 2 fb⁻¹ на энергии 8 ТэВ) и начальный объём сеанса Run 2 (0,3 fb⁻¹). В протонных столкновениях на LHC рождается массив разнообразных адронов. Сложность состоит в том, чтобы распознать нужную частицу по её каналу распада. Самый эффективный способ — это построить распределение по инвариантной массе частиц-продуктов распада. Обычно это распределение плавное, а новая частица проявляется как резонанс — резкий всплеск на фоне гладкой зависимости. Поиск новых возбуждённых состояний Ω_c-бариона проводился через распад состояний на систему ${\displaystyle \Xi _{c}^{+}K^{-}}$, кварковый состав которой отличается лишь на пару u-анти-u. Суммарная масса этих двух частиц равна 2960 МэВ, поэтому распадаться на них могут только состояния тяжелее этого порогового значения. Частица ${\displaystyle \Xi _{c}^{+}}$ — это основное состояние кварковой комбинации (usc), следовательно она живёт достаточно долго, чтобы успеть отлететь на несколько миллиметров от точки рождения и там распасться. Эта вторичная вершина, из которой должны вылетать ${\displaystyle pK^{-}\pi ^{+}}$ — продукты распада ${\displaystyle \Xi _{c}^{+}}$ — отделена в пространстве от точки столкновения протонов. Вместе с изучением инвариантной массы системы ${\displaystyle pK^{-}\pi ^{+}}$ это позволяет из всего массива адронов идентифицировать именно продукт распада ${\displaystyle \Xi _{c}^{+}}$. В целом таких событий набралось около миллиона^[14].

Каждый раз, когда событие содержало ${\displaystyle \Xi _{c}^{+}}$, учёные пытались объединить его с ещё одним ${\displaystyle K^{-}}$ и измерить инвариантную массу ${\displaystyle \Xi _{c}^{+}K^{-}}$-системы. Примерно для сотни тысяч событий это удалось сделать. В результате после анализа всей статистики набралась достаточно большая выборка ${\displaystyle \Xi _{c}^{+}K^{-}}$, и можно было построить детальное распределение по их инвариантной массе. Из графика видно, что экспериментальные данные прочерчивают пять узких пиков при массах 3000, 3050, 3066, 3090 и 3119 МэВ соответственно. Их ширина составляет несколько МэВ или даже меньше 1 МэВ для Ω_c(3050). Коллаборация LHCb выполнила также несколько проверок того, что обнаруженные резонансы отражают реальное усиленное взаимодействие, а не являются результатом посторонних факторов^[15].

В 2020 г. учёные из Мюнхенского технического университета (Technische Universität München, TUM) под руководством Л. Фаббиетти, участвующие в эксперименте ALICE на Большом адронном коллайдере, сообщили о том, что им удалось с высокой точностью измерить сильное взаимодействие между стабильными и нестабильными частицами — протоном и гипероном. Для этого они использовали метод фемтоскопии, позволяющий исследовать пространственные масштабы, близкие к 1 фм (10⁻¹⁵ м). В этом случае взаимодействие пары частиц, рождающихся в области столкновения, изучают по корреляционным функциям сечений вылета пар частиц с определённой разностью импульсов. Нуклон (протон) и гиперон в таких экспериментах успевают провзаимодействовать до того, как распадётся гиперон, а высокая точность определения импульсов протона и продуктов распада гиперона позволяет оценить силу и продолжительность взаимодействия частиц. С помощью метода фемтоскопии группе из TUM удалось не только проанализировать экспериментальные данные для большинства комбинаций «гиперон — нуклон», но также измерить сильное взаимодействие для самого редкого из всех гиперонов — омега-гиперона. Присутствие в событии омега-гиперона отслеживалось по продуктам его слабого распада на ${\displaystyle K^{-}}$ и ${\displaystyle \Lambda }$, последний из которых распадался на ${\displaystyle \pi ^{-}}$-мезон и протон.

Исследователи отмечают, что в их работе представлены лишь некоторые из множества вариантов сильных взаимодействий, а также подчёркивают важность открытия для понимания процессов, происходящих в нейтронных звездах^[16].

В 2022 г. коллаборация международного эксперимента BESIII (детектор), который проводится на электрон-позитронном коллайдере BEPC II в Китае, представила результаты одного из самых масштабных исследований барионов. Детектор BESIII накопил огромный объём данных: около 10 млрд событий распада частицы ${\displaystyle J/\Psi }$ и ещё 3 млрд событий частицы ${\displaystyle \Psi (3686)}$. Благодаря высокой точности измерений и низкому уровню фоновых сигналов учёные смогли подробно изучить структуру барионов и их возбуждённые состояния.

Эксперимент подтвердил существование целого ряда ранее предполагаемых резонансов — например ${\displaystyle N(2300)}$ и ${\displaystyle N(2570)}$, которые являются возбуждёнными состояниями нуклонов. Полученные результаты значительно расширяют известный «каталог» барионных резонансов и позволяют проверить теоретические модели сильного взаимодействия. Кроме того, были обнаружены новые состояния гиперонов. Особый интерес вызвали результаты для омега-гиперонов. BESIII подтвердил существование состояния ${\displaystyle \Omega (2012)^{-}}$ и впервые обнаружил новый резонанс ${\displaystyle \Omega (2019)^{-}}$. Его масса составляет примерно 2108 МэВ, а ширина распада — около 18 МэВ. Эти значения хорошо согласуются с расчётами квантовой хромодинамики на решётке^[17].