11 августа 2014 года в журнале Physical Review Letters была опубликована статья с указаниями на существование еще не открытого тяжелого бариона, содержащего странный кварк. Мы попросили прокомментировать это исследование доктора физико-математических наук, специалиста в области сильных взаимодействий Бориса Кербикова.

Спустя миллионные доли секунды после Большого взрыва Вселенная представляла собой необычайно горячую и плотную плазму из кварков и глюонов. Отсутствовали не только ядра, но и протоны, нейтроны, мезоны и другие частицы. По мере остывания Вселенной кварки и глюоны «слипались» в мезоны и барионы, восстанавливалось термодинамическое равновесие. Появление свободных барионов и мезонов из плазменного сгустка называется по-английски freeze out, или «вымерзание».

Физики давно мечтали получить кварк-глюонную плазму в лаборатории и проследить процесс ее охлаждения и рождения частиц. Специально для этой цели в США, в Брукхейвенской национальной лаборатории неподалеку от Нью-Йорка, был построен ускоритель RHIC, в котором сталкивались летящие навстречу друг другу на околосветовых скоростях тяжелые ионы — как правило, ионы золота. В результате столкновения образуется сгусток из сотен кварков и глюонов, который в масштабе времени 10-23 секунды расширяется и охлаждается — в итоге детектор регистрирует «вымерзшие» мезоны и барионы, в том числе содержащие странные и очарованные кварки. В последние годы аналогичные столкновения ионов при еще больших энергиях исследовались и на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

Стоит заметить, что термин «кварк-глюонная плазма», который был предложен около 30 лет назад Эдуардом Шуряком, работавшим тогда в Новосибирске, сохранился отчасти исторически, поскольку образующееся горячее плотное вещество по своим свойствам напоминает скорее идеальную жидкость.

Рекомендуем по этой теме:
5034
CP-нарушение в тяжелых кварках
Сейчас процесс эволюции плазмы детально изучен, как экспериментально, так и теоретически. Простейшая модель, предложенная много лет назад, состоит в том, что при расширении и охлаждении кварки и глюоны превращаются в газ невзаимодействующих частиц — адронов. Постепенно эта модель усложнялась, в нее включалось все большее число мезонов и барионов. Наибольший интерес представляет вопрос, при какой температуре происходит freeze out, то есть превращение кварк-глюонной плазмы в свободно летящие мезоны и барионы.

Теоретически используются достаточно сложные модели превращения кварков и глюонов в адроны. Учитываются все типы кварков, в том числе странные кварки (s-кварки), которые входят в состав K-мезонов и странных барионов, например Λ- и Σ-барионов. Оказалось, что странные кварки существенно влияют на температуру freeze out и приводят к ее понижению. Подобные расчеты сложны и могут быть выполнены только на самых мощных суперкомпьютерах.

Новый, потенциально очень важный результат, которому посвящена статья в свежем номере Physical Review Letters, состоит в том, что для согласования теоретически предсказанной и экспериментально наблюдаемой температуры freeze out необходимо предположить, что в плазме образуется ранее не известный очень тяжелый странный барион. Теория предсказывает, что очень тяжелый странный барион является катализатором freeze out, подобно тому как крупица соли понижает температуру замерзания воды. Назвать это открытием новой странной частицы было бы преждевременно по нескольким причинам: во-первых, сам процесс описывается моделью, а не строгой теорией; во-вторых, тяжелый странный барион, скорее всего, быстро распадается, и то, успевает ли он понизить температуру freeze out, остается открытым вопросом.

Тем не менее интересно, что абсолютно новые частицы могут быть открыты по совсем необычным отпечаткам или следам в кварк-глюонной плазме.