Пентакварки
Доктор физико-математических наук Виктор Петров, Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова (ПИЯФ НИЦ КИ), Гатчина
Кварки — элементарные «кирпичики» протонов, нейтронов и других частиц — возникли в наших представлениях об устройстве мира чуть более полувека назад.
Кварки — элементарные «кирпичики» протонов, нейтронов и других частиц — возникли в наших представлениях об устройстве мира чуть более полувека назад. Из кварков состоят все известные сильно взаимодействующие частицы — адроны. Достаточно быстро было экспериментально доказано, что мезоны состоят из кварка и антикварка, а барионы (протон и нейтрон) — из трёх кварков. Перед учёными встал вопрос: могут ли существовать адроны, устроенные иначе?
Никакие известные законы не запрещали существования адронов, составленных из двух кварк-антикварковых пар — тетракварков или трёх кварков и одной кварк-антикварковой пары — пентакварков и т. д. Количество кварков и дало название этим частицам (в переводе с греческого тетра — четыре, пента — пять). Их экспериментальное обнаружение должно было существенно расширить наши знания о структуре адронов и стать ещё одним подтверждением теории сильных взаимодействий — квантовой хромодинамики.
Однако обнаружение этих, названных экзотическими, частиц затянулось на несколько десятилетий. Они никак не давались физикам. Лишь в 2014 году на Большом адронном коллайдере был обнаружен тетракварк, а в 2015 году был наконец открыт пентакварк.
Эта история началась в 1964 году, когда американские физики Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг независимо друг от друга выдвинули гипотезу, что сильно взаимодействующие частицы построены из кварков — частиц с дробным электрическим и барионным зарядами. Цвейг называл их aces — тузы, но это название не прижилось. Все мезоны (частицы с нулевым барионным зарядом) можно построить из кварка и антикварка, а барионы — из трёх кварков. Такие комбинации приводили к экспериментально наблюдаемым частицам с целым барионным зарядом. Важно, что существуют кварки разных сортов (флэйворов), которые ведут себя почти одинаково. В те времена было известно три вида кварков — u, d, s (up, down, strange), теперь добавились ещё c (charm), b (beauty), t (top), но сильные взаимодействия всех шести совершенно одинаковы.
Из этого факта можно сделать далеко идущие выводы. Заменив в протоне (uud) одни кварки на другие, получим другие частицы: нейтрон, три разных сигма-гиперона и два разных кси-гиперона.
Все они должны иметь очень похожие свойства. Другими словами, сильно взаимодействующие частицы можно разбить на группы (мультиплеты) либо из восьми (октеты), либо из десяти (декуплеты) частиц, которые внутри одного мультиплета оказываются похожими. Эти предсказания Гелл-Мана и Цвейга очень хорошо подтверждаются экспериментом, они стали основой так называемой кварковой модели элементарных частиц.
В начале 1970-х годов физики поняли, что у кварков есть ещё одна характеристика и назвали её цветом. Каждый тип кварка может быть одного из трёх цветов. Именно цветной заряд служит источником взаимодействия между кварками. Переносят это взаимодействие глюоны (от англ. glue — клей) — безмассовые частицы (аналогично тому, как электромагнитное взаимодействие переносят фотоны). Глюонов восемь, все они разных цветов.
Довольно быстро в сознании физиков мир десятков и сотен различных сильно взаимодействующих частиц (адронов) был заменён на гораздо более простой и логичный мир шести типов (флэйворов) кварков и восьми глюонов. Экспериментальные данные неизменно подтверждают выводы, сделанные на основе кварк-глюонной картины сильных взаимодействий, поэтому сейчас мы уже не сомневаемся, что она верна. Теория взаимодействия кварков и глюонов (квантовая хромодинамика) вошла составной частью в Стандартную модель элементарных частиц, последним подтверждением которой стало обнаружение бозона Хиггса в недавнем эксперименте на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе (Женева).
Однако кварков в свободном состоянии найти так и не удалось. Мы видим кварки связанными в адронах, мы видим их проявления при высоких энергиях, но никому не удавалось наблюдать одиночный изолированный кварк. Довольно быстро стало ясно, что это неслучайно и в природе имеет место явление невылетания (конфайнмент, от англ. confine — ограничивать свободу) кварков. В противоположность всему тому, что мы видели до сих пор, взаимодействие кварков, по-видимому, не убывает, а растёт с расстоянием. Внутри протона или нейтрона кварки ведут себя как свободные частицы, но при попытке разбить нуклон между кварками возникает сила взаимодействия, которая растёт с увеличением расстояния между ними. Грубо говоря, это приводит к тому, что один кварк нельзя оторвать от другого. В природе наблюдаются только «белые» состояния, в которых полный цветовой заряд равен нулю. В частности, все адроны «белые».
Явление конфайнмента всё ещё не понято, несмотря на сорокалетнюю историю исследований. Да, многие его свойства изучены, надёжно доказано, что в квантовой хромодинамике явление существует, но его полная самосогласованная теория отсутствует. В современной физике есть только один пример такой загадки, столь же долго не поддававшейся объяснению, — явление сверхпроводимости. Она была открыта в 1912 году, а объяснена лишь в 1956-м Бардиным, Купером и Шриффером. Боюсь, что конфайнмент имеет все шансы перекрыть этот рекорд…
Кварковая модель Гелл-Мана — Цвейга без проблем вписалась в квантовую хромодинамику. Состояния из кварка и антикварка (мезоны) и из трёх кварков или трёх антикварков (барионы) как раз «белые», именно они и должны были наблюдаться. Это же утверждает и кварковая модель.
Однако ещё в первых работах по кварковой модели был задан вопрос: а почему бы не существовать состояниям, в которых к обычному адрону добавлена кварк-антикварковая пара? При этом возникли бы адроны, «сделанные» из двух кварков и двух антикварков или даже из четырёх кварков и одного антикварка. У последних барионный заряд был бы равен единице, как у протона. С 1987 года по предложению Г. Липкина их стали называть пентакварками. Очевидно, что из четырёх кварков и одного антикварка легко сделать «белое» состояние, так что существование пентакварков конфайнменту не противоречит. Пентакварки — представители так называемых экзотических частиц, то есть тех, которых не относятся ни к обычным мезонам (кварк-антикварк), ни к барионам (три кварка). В рамках квантовой хромодинамики можно представить много таких частиц — пентакварки, тетракварки, глюболлы (частицы, состоящие только из глюонов) и т. п.
Статьи по теме
Читайте в любое время
