CMS eksperiment avastas uue barüonosakese

CERN teaduskeskuse kiirendi CMS eksperiment andis publitseerimiseks sisse artikli, milles selgitab uue ergastatud (bottom quark, põhjakvark, põhikvark) barüoni b-kvargi Ξ*b0 avastamise, mille statistiline keskväärtus eristub oodatud tasutafoonist enam kui viie standardhälbe võrra.

Osakest vaadeldi prooton-prooton kokkupõrke tulemusena, mis toimus 2011. aastal CERN-i LHC kiirendis osakeste massikeskme energiaga 7 TeV (teraelektronvolt). Proov vastab krikusele 5.3 fb-1 [1].

End seni hästi tõestanud kvarkmudel ennustab nn. Ξb barüonide olemasolu, milledeks on b-kvark, s-kvark ning neutraalse Ξb0 barüoni tekitav u-kvark või laetud Ξb0 barüoni tekitav d-kvark. Nimetatud barüonid võivad eksisteerida kvantarvude spinn-paarsuse P ning impulsimomendi J eri väärtuste juures. Energeetilises põhiolekus olevaid nii laenguga kui laenguta madalamate massidega Ξb barüone on varem katseliselt jälgitud, ent ergastatud olekus Ξb barüone, sealhulgas Ξ*b0 barüoni olekus JP=3/2+, pole veel seni nähtud.

Teooria kohaselt laguneb Ξ*b0 osake kaskaadina madalama massiga osakesteks järgmise algoritmi alusel (lähemalt vaadata allikast, toim.):

1. Ξ*b0 → Ξb- π+,

2. Ξb- → J/ψ Ξ-

3. J/ψ → μ+μ-    ja    Ξ- → Λ0π-

4. Λ0 → p+π-.

Lagunemise kaskaad päädib prootoni, kahe müüoni ning kolme piioni tekkimisega. Ξ*b0 olemasolu tuvastatakse kõikide algoritmi osakeste laengute, impulsimomentide ning tekkeasukotade ehk maksimumide (vertex) mõõtmisega. Joonisel 1. on näha arvutipilt tüüpilisest joonisel 2. esinevast laguprotsessist, mis Ξ*b0 otsingutel saadud on.

Katseandmetest leitakse otsitud barüon lagunemiste rekonstrueerimise teel. Λ0 → p+π- lagunemine rekonstrueeritakse kahe eri laenguga rajas, mis tekivad ruumiliselt peamaksimumist ehk algsest prooton-prooton põrkest Λ0 pika eluea tõttu eemal. Rajade invariantsed massid peavad Λ0 massi suhtes olema jäävad (süsteemist ei saa mass kaduda, toim). Järgmisena rekonstrueeritakse Ξ- osake, kombineerides selleks Λ0 ja π osakeste rajad, mille massid on Ξ- massi suhtes jäävad. Sarnaselt otsitakse vastasmärgilise laenguga müüoneid, millel on J/ψ suhtes invariantne ja jääv mass. Juhuslikest osakeste kombineerumisest tulenevat müra filtreeritakse lagunemisrajade algpõrkepunktist eemale juhtimisega, mida soosivad mainitud laguprotsessis osalevate osakeste suhteliselt pikad eluead.

Viimaks rekonstrueeritakse Ξb-, kombineerides selleks J/ψ ning Ξ-. Joonisel 3. on näha nii Ξb- kui ka J/ψ invariantsed massid. Taustast eristub selge 108 ± 14 sündmusega piiksignaal. Paigaloleva Ξb- mass on 5795.0 ± 3.1 MeV (megaelektronvolt), mis on heas vastavuses teoreetilise 5790.5 ± 2.7 MeV suurusega. Taustamudel on konstrueeritud andmetest, milles Ξb- ning selle lagupiionil on samamärgilised laengud.

Ξ*b0 osake laguneb mudeli järgi tugeva interaktsiooni toimel, mistõttu keskenduti katsetes peamaksimumist lähtuvate Ξb-ning π+ kombineerimisele. Ξ*b0 olemasolu korral esineb Ξb- ja π+ invariantsetes massides maksimum. Ent müra vähendamise ning tundlikkuse tõstmise eesmärgil otsiti selle asemel masside erinevust Q = M(J/ψΞ-π+) – M(J/ψΞ-) -M(π) (vaata täpsemalt allikast). Joonisel 4. on näha Q jaotus kogu CMS andmehulga ulatuses. 12-18 MeV põrkeenergia vahemikus registreeriti 21 sündmust, millest paistab fooni suhtes selge maksimum täpsusega 3.0 ± 1.4 sündmust. Uue b barüoni massi ning Ξb- ja π+ masside summa vaheks mõõdeti katseliselt Q = 14.84 ± 0.74 MeV statsionaarses olekus ning ± 0.26 MeV liikuvas olekus.

Signaali eristuvus loeti 6.9 standardhälbe ulatuses, arvestades seejuures, et signaali puudumisel võivad CMS tulemused kõikuda suuremaski ulatuses. Arvesse võeti „Kõrvalvaatamise efekt“ (Look Elsewhere Efect) [2], otsides signaalipiike vahemikus 0 < Q < 50 MeV, millesse mahub Ξ*b0 teoreetiline väärtus. Tekkiva fooni fluktuatsiooni tõenäosus on p = 1.3 x 10^-8, mis vastab Gaussi jaotuses 5.7 standardhälbelisele kõikumisele. Otsimisvahemiku 0 < Q < 400 MeV korral on keskväärtus 5.3 standardhälvet.

Uue b barüoni mass mõõdeti 5945.0 ± 2.8 MeV täpsusega. Veas domineerib Ξb- massi määramatus. Määramatusfunktsioon on lai, ent signaal on teooriaga heas vastavuses. Laguprotsessi iseärasuste ning mõõdetud uue osakese massi tõttu ongi tõenäoliselt tegemist Ξ*b0 barüoniga, kvantarvuga JP=3/2+.

[1] http://news.stanford.edu/news/2004/july21/femtobarn-721.html
[2] http://cms.web.cern.ch/news/should-you-get-excited-your-data-let-look-el.

Allikas: PhysOrg