Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) объявила об обнаружении нового бариона, напоминающего протон. Это достижение стало возможным благодаря модернизации Большого адронного коллайдера (LHC). Новая частица, получившая обозначение Xi_cc⁺, примерно в четыре раза тяжелее обычного протона. Её структура существенно отличается от привычной: вместо двух верхних кварков, характерных для протона, она содержит два очарованных кварка. По мнению ученых, это открытие позволит глубже понять природу сильного взаимодействия — фундаментальной силы, обеспечивающей связывание частиц внутри атомных ядер.
Кварки являются базовыми строительными блоками материи и существуют в шести типах, которые в физике называют «ароматами»: верхний, нижний, очарованный, странный, прелестный и истинный. Они объединяются в устойчивые комбинации, образуя адроны — общее семейство частиц, включающее барионы и мезоны. Протоны и нейтроны относятся к барионам и состоят из трёх кварков. В то же время существуют и более сложные, так называемые экзотические адроны, например тетракварки и пентакварки, содержащие четыре и пять кварков соответственно. Такие частицы крайне нестабильны и распадаются почти мгновенно, что значительно осложняет их экспериментальное обнаружение.
Для получения подобных частиц необходимы столкновения при очень высоких энергиях, которые воспроизводят условия, близкие к тем, что существовали во Вселенной вскоре после Большого взрыва. Хотя сами экзотические частицы живут чрезвычайно мало, продукты их распада более стабильны и могут быть зарегистрированы детекторами. Анализируя эти продукты, физики восстанавливают свойства исходных частиц и подтверждают их существование.
Новый барион Xi_cc⁺ был обнаружен в рамках эксперимента LHCb. Его регистрация стала возможной благодаря обновлению детектора, проведённому в 2023 году. Это открытие увеличило общее число известных адронов до примерно 80. О результатах было объявлено на конференции Moriond по физике частиц во французской Савойе. Как отметил официальный представитель коллаборации LHCb Винченцо Ваньони, речь идет о первой новой частице, обнаруженной после модернизации установки, а также лишь о втором за всю историю наблюдении бариона, содержащего два тяжёлых кварка. Предыдущее подобное открытие было сделано почти десять лет назад.
Главная особенность Xi_cc⁺ заключается в её составе: она включает два очарованных кварка и один нижний кварк. Для сравнения, ранее обнаруженная в 2017 году частица содержала два очарованных и один верхний кварк. Несмотря на минимальное различие в составе, физические свойства этих частиц заметно отличаются. В частности, время жизни новой частицы оказалось примерно в шесть раз короче, что связано со сложными квантовыми эффектами внутри системы кварков. По оценкам исследователей, Xi_cc⁺ существует менее одной триллионной доли секунды, прежде чем распадается.
Тем не менее, даже столь кратковременное существование не помешало учёным надежно зафиксировать новую частицу. Статистическая значимость результата достигла уровня 7 сигма, что существенно превышает принятый в физике порог открытия в 5 сигма. Это означает, что вероятность случайного обнаружения практически исключена.
Профессор Тим Гершон из Университета Уорика отметил, что данное достижение открывает новую серию открытий, ожидаемых благодаря обновлённому детектору LHCb. Повышенная чувствительность оборудования позволила обнаружить частицу всего за один год работы, тогда как ранее за десятилетие подобных результатов получить не удавалось. По словам Ваньони, это открытие предоставит теоретикам важные данные для проверки предсказаний квантовой хромодинамики — теории, описывающей сильное взаимодействие. Именно эта сила удерживает кварки внутри протонов и нейтронов и ведет себя необычным образом: её интенсивность возрастает с увеличением расстояния между частицами, что делает невозможным их изолированное существование.