Кварки — элементарные «кирпичики» протонов, нейтронов и других частиц — возникли в наших представлениях об устройстве мира чуть более полувека назад.

Довольно быстро нашлись признаки существования связанного состояния пяти кварков с квантовыми числами, которые нельзя было получить для адрона только из трёх кварков. В те времена предсказания простейшей кварковой модели выглядели очень просто: пентакварк, сделанный из лёгких кварков, должен иметь массу около двух масс протона или больше и быть слабосвязанным, короткоживущим состоянием. Соответственно ожидалось, что пентакварк должен проявиться как широкий пик в реакциях рассеяния мезонов на барионах.

Такие пики видели не один раз, их авторы объявляли об открытии пентакварка (их тогда называли Z-барионами). Однако достоверность экспериментов была низкой, и со временем эти пики рассасывались или (если квантовые числа не были экзотическими) находили интерпретацию как обычные трёхкварковые барионы. Исследовав всю область, где ожидались пентакварки, физики сделали вывод, что по какой-то непонятной причине пентакварки не существуют. Это мнение в конце 1970-х годов стало общепризнанным. Более того, почему-то не желали открываться и экзотические состояния другого вида, вроде бы не противоречащие квантовой хромодинамике, так что стали даже раздаваться голоса, что, быть может, таково уж свойство конфайнмента, что экзотические состояния в природе невозможны, и всё ограничивается обычными адронами.

Новое развитие история пентакварков получила после вышедшей в 1997 году работы сотрудников теоретического отдела ПИЯФ Д. И. Дьяконова, М. В. Полякова и автора настоящей статьи. В этой работе предсказывались пентакварки, хотя и из лёгких кварков, но с совершенно другими свойствами. Они должны были быть гораздо легче тех частиц, которые искали до сих пор, а главное — жить гораздо дольше (конечно, только по ядерным масштабам). Предсказания сделаны со всей определённостью, указаны масса и ширина частиц, все моды их распада. Кроме того, речь шла не об одном барионе, а сразу о десяти (экзотический антидекуплет). Работу провели на основе новой теории, которая учитывала опыт квантовой хромодинамики и должна была, по мнению авторов, подменить наивную кварковую модель. Предсказания этой теории сперва проверили на обычных барионах и доказали её жизнеспособность.

Однако неверие в пентакварки оказалось настолько велико, что прошло около пяти лет, прежде чем удалось уговорить экспериментаторов проверить предсказание. И вот, в 2003 году группа японских физиков во главе с профессором Накано объявила об открытии пентакварка (по предложению Д. Дьяконова его назвали Θ-барион) точно в предсказанном месте. Время жизни группе определить не удалось, но было ясно, что оно необычайно велико. Практически одновременно с ними барион с теми же свойствами и в том же месте наблюдали в Москве, в ИТЭФ. И пошло… В течение следующего года Θ наблюдали по крайней мере в полутора десятках экспериментов в разных странах мира. Почти сразу стало ясно, что не все они надёжны, некоторые имели недостаточную точность или набор данных. Тем не менее большое число положительных экспериментальных данных в совокупности давали уверенность, что пентакварк действительно существует, и Θ включили в официальный список открытых частиц, издаваемый Particle Data Group.

Со временем, однако, стали появляться и отрицательные результаты: в некоторых экспериментах пентакварки в предсказанных местах не наблюдались, хотя зачастую имели большую статистику и точность. Наконец, в 2007 году после очень точного эксперимента группы из Джефферсон Лаб (США) (которые перед тем в 2004-м подтверждали наличие пентакварка), не обнаружившего Θ, мировое общественное мнение опять склонилось к тому, что пентакварков не существует в природе, и Θ выкинули из таблиц элементарных частиц. Впрочем, результаты экспериментов с наблюдением пентакварков ряда групп не опровергнуты и продолжают публиковаться.

Но история пентакварков на этом отнюдь не закончилась. 13 июля 2015 года коллаборация LHCb, одна из четырёх больших коллабораций, работающих на Большом адронном коллайдере, сообщила об открытии двух новых адронов, предположительно пентакварков. Резонансы (короткоживущие возбуждённые состояния адронов) наблюдались в канале J/ψ + протон — один довольно широкий (то есть эта частица — короткоживущая) с массой 4380 Мэв (примерно 4,65 массы протона), а другой с массой 4450 Мэв, значительно уже. Если в существовании первой частицы ещё можно сомневаться, то открытие второго пентакварка выглядит чрезвычайно убедительным: пик возвышается над фоном по крайней мере на 12 стандартных отклонений!

J/ψ мезон, открытый лет 40 назад, состоит из двух тяжёлых кварков — c и анти-с (масса одного с-кварка более полутора масс протона), протон — из трёх лёгких кварков — uud. Резонанс в системе J/ψ + протон обязательно означает пентакварк, если только с и анти-с не аннигилировали. Вероятность этого, однако, очень мала, а соответствующие резонансы должны быть намного легче. Поэтому остаётся предположить, что открытый адрон действительно состоит из пяти кварков. Он уже получил название P_c. Пентакварки такого типа до сих пор никто не рассматривал и в указанном месте не предсказывал. Пока неясно, как он устроен и вообще — истинный ли это пентакварк. Если для пентакварка, «сделанного» только из лёгких кварков, ясно, что все они равноправны, а потому, грубо говоря, размазаны по всему объёму частицы, то здесь совершенно другая ситуация. Несмотря на то что внутреннее устройство вновь открытого пентакварка неизвестно, мыслимы по крайней мере два варианта, отличающиеся тем, на каких расстояниях находятся тяжёлые с-кварк и с-антикварк.

Первый из них отвечает тому, что три кварка и кварк-антикварк группируются в два адрона, расположенных сравнительно далеко один от другого. Мезон, состоящий из u и с-антикварка, известен — это D-мезон; барион, состоящий из трёх кварков — cdu — известен тоже и носит имя Σ-бариона. Можно сказать, что в этом случае пентакварк представляет собой адронную молекулу, «собранную» из этого мезона и бариона, подобно тому, как два атома водорода объединяются в слабо связанную молекулу H₂. Однако здесь связь осуществляется не за счёт электромагнитного взаимодействия, а за счёт сильного, того же самого, которое связывает протоны и нейтроны в ядра. Беда, однако, в том, что нам почти ничего неизвестно о таком взаимодействии между D-мезоном и Σ-барионом.

Второй вариант расположения тяжёлых кварков изображён на другом рисунке. В центре пентакварка с-кварк и антикварк находятся близко один к другому, образуя компактное связанное состояние — чармониум. На удалении от них вращаются лёгкие кварки. Аналогом служит атом, причём чармониум играет роль ядра, а кварки — электронов. Заметим, что три оставшихся лёгких кварка — как раз те, которые составляют протон. Этот вариант (а его называют адро-чармониум) можно описать как J/ψ-мезон, забравшийся в центр протона и образующий с ним связанное состояние за счёт взаимодействия с его материей. Ясно, что этот вариант гораздо лучше отвечает тому, что мы называем пентакварк.

Существуют и другие гипотезы по поводу внутреннего устройства вновь открытого пентакварка. Какая из них окажется правильной, покажут дальнейшие исследования. Важно другое — мы теперь знаем, что пентакварки почти наверняка существуют. Я надеюсь, что психологический барьер сломан и вскоре будут открыты ещё и другие пентакварки, в том числе, возможно, состоящие только из лёгких кварков. Мы вступаем в новую эру адронной спектроскопии, где экзотические частицы должны занять важное место, которое давно их ожидает.

***

Сравнение цвета кварка с обычным цветом имеет определённый смысл. Представим себе, что кварки бывают синими, зелёными и красными. Смесь трёх этих цветов (вспомните, как работает цветной телевизор!) действительно даёт белый цвет. Кварк и антикварк — это ещё проще. Кварк красного цвета даёт красный цвет, а красный антикварк этот цвет стирает. В итоге у нас опять остаётся белый цвет.

***

Барионный заряд. Каждому кварку приписывается барионный заряд 1/3, а антикварку — минус 1/3. Для известных взаимодействий барионный заряд точно сохраняется во всех реакциях. Именно сохранение барионного заряда объясняет, почему протон, как легчайшая частица с барионным зарядом единица, абсолютно стабилен.

Стандартное отклонение, σ — среднеквадратичное отклонение в различных измерениях. Оно характеризует ошибку эксперимента. Если отклонения распределены нормальным образом и ошибка определена правильно, то вероятность появления на эксперименте отклонения, превышающего σ, равна 33%. Это число очень быстро падает. Отклонения 2σ появляются не более чем в 5% случаев, а 3σ — не более чем в 0,3%. Появление случайного отклонения в 9, а тем более 12 σ с точки зрения статистики совершенно невероятно.

Ширина — имеется в виду ширина пика в графике сечения процесса, в котором рождается данная частица. Как следует из квантовой механики (принцип неопределённости), ширина непосредственно связана со временем жизни частицы ?=ħ/T (T — время жизни, ħ — постоянная Планка, ? — ширина).

Детальное описание иллюстрации

● Адронная молекула: D-мезон и Σ_C-барион, связанные силами, аналогичными тем, что связывают протон и нейтрон в ядрах. Мезон и барион находятся на расстояниях, больших по сравнению с расстоянием между кварками внутри них.

● Открытие пентакварков коллаборацией LHCb: Исследовался распад тяжёлого бариона Λ_b (состоящего из одного тяжёлого b-кварка и двух лёгких) на Λ_b→p+J/ψ+K (протон, K-мезон и J/ψ-мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка). Рисунок показывает зависимость числа событий как функцию от массы p+J/ψ — системы. Виден высокий узкий пик, отвечающий пентакварку P_c(4450), и более широкий, отвечающий P_c(4380). Рисунок из статьи: R. Aaij et al. [LHCb Collaboration]. Phys. Rev. Lett., v. 115, 72001 (2015).

• Предыдущая
• 1
• 2

Статьи по теме

• Открыт уникальный тетракварк

№3, 2016