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.

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.