14 июля 2015 года на сайте Европейской организации по ядерным исследованиям CERN была опубликована новость об открытии нового класса элементарных частиц — пентакварков. Мы попросили прокомментировать это событие доктора физико-математических наук, заведующего лабораторией физики тяжелых кварков и лептонов ИТЭФ Павла Пахлова.

Что произошло

Сразу оговорюсь, что делать вывод о том, что обнаружена именно новая частица — пентакварк, на мой взгляд, несколько преждевременно. Однако в любом случае сделанное в эксперименте LHCb на Большом адронном коллайдере открытие является исключительно интересным и будоражащим.

Несколько слов о частицах, состоящих из кварков. Такие частицы называются адронами (термин, введенный нашим соотечественником Львом Борисовичем Окунем в 1962 году). Известны два типа адронов: мезоны, содержащие пару «кварк — антикварк», и барионы, состоящие из трех кварков. Барионами являются всем нам известные протоны и нейтроны, а мезоны иногда являются нам в космических лучах — в них есть примесь π- и К-мезонов. Число известных адронов достигает сотни, их изучают в ускорительных экспериментах и надеются найти точное описание сильного взаимодействия, ответственного за структуру адронов. До сих пор нет ответа на вопрос, могут ли существовать адроны, содержащие большее количество кварков, например четыре (2 кварка + 2 антикварка) — тетракварк или пять (4 кварка + 1 антикварк) — пентакварк. Вроде бы их существование не противоречит ни одному из известных законов, но до настоящего времени таких типов адронов достоверно не наблюдали.

Рекомендуем по этой теме:
11190
FAQ: Кварки

Итак, что же было найдено в эксперименте LHCb, специально построенном для исследования распадов мезонов и барионов, содержащих b-кварк? Мезоны с b-кварком изучают уже давно (последние десятилетия на специализированных В-фабриках), а вот b-барионы стали доступны для детального изучения только в эксперименте LHCb. Λb-барион, рождающийся в протон-протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере, похож на протон и нейтрон, только один из трех кварков в нем тяжелый — b-кварк в 4 раза тяжелее протона. Поэтому Λb-барион нестабилен и быстро распадается. В эксперименте LHCb исследовалась динамика распада этого бариона на три частицы: J/ψ, K-мезон и протон. В спектре масс пары K-мезон и протон наблюдаются известные частицы — очарованные барионы. Они видны как пики в распределении по массе (левый рисунок) — это интересно, но не удивительно. Совершенно неожиданным сюрпризом стало обнаружение также пиков в спектре масс пары J/ψ и протон (правый рисунок).

Если эти дополнительные пики действительно обусловлены существованием новых частиц, то их кварковый состав отличен от всех известных до сих пор типов. Частица, распадающаяся на пару J/ψ и протон, должна содержать пять кварков (за что и названа пентакварком), вернее, 4 кварка и один антикварк.



Повторюсь, что хотя в существовании самих новых пиков, по-видимому, можно не сомневаться (анализ данных проведен очень тщательно, и вероятность экспериментальной ошибки ничтожна), но интерпретировать пики как новые частицы-резонансы все-таки рановато. На мой взгляд, пики могут быть обусловлены динамикой распада Λb-бариона, то есть сымитированы скрытыми процессами в самом распаде. Подчеркну, что это нисколько не умаляет важности сделанного открытия: подобная динамика (хотя звучит это чуть скромнее) не менее интересна, чем открытие новой частицы, поскольку также является новым явлением. Чтобы понять природу сделанного открытия, теоретикам еще предстоит поломать голову, а экспериментаторам придется поискать какие-нибудь новые проявления обнаруженного явления.

Предыстория

Найденные пики в эксперименте LHCb по своей природе, видимо, очень похожи на обнаруженный в 2008 году в эксперименте Belle (Япония) пик в массе ψ- и π-мезонов из схожего распада, только не Λb-бариона, а В-мезона. Набор трех конечных частиц очень похож: общая пара ψ-мезон и К-мезон, третьей частицей в случае Belle был π-мезон, а в случае LHCb — протон. Тогда тоже первой реакцией на открытие было утверждение, что обнаружен новый вид частиц — тетракварк. Однако спустя семь лет однозначного объяснения пика так и не найдено. Вернее, существует множество гипотез, включая гипотезу тетракварка, вполне разумных. Проблема как раз в том, что гипотез несколько и ни одну из них пока исключить нельзя. Видимо, похожая ситуация сложится и с открытием на LHCb: будет предложено несколько гипотез, а чтобы разрешить возникшие загадки, понадобятся совместные усилия теоретиков и экспериментаторов.

Перспективы

Структура адронов и даже более общий вопрос о том, какие типы частиц могут существовать, остаются нерешенными проблемами на протяжении десятилетий. Это является одним из вызовов ученым. Действительно, фундаментальная теория сильного взаимодействия найдена уже давно и является общепринятой на протяжении более 40 лет. А вот найти математический аппарат для вычислений в рамках фундаментальной теории пока не удается. Перспективным способом обойти проблему считается решать задачу «в лоб» численно, только пока даже современные суперкомпьютеры не могут обеспечить приемлемую точность: уж слишком много вычислений требуется для описания даже «простых» адронов. Другой подход к разрешению проблемы — описание адронов в рамках феноменологических моделей, то есть упрощение задачи под известные методы вычислений. Но и этот подход пока не всегда дает удовлетворительное описание экспериментальных данных. Особенно много противоречий возникло при попытках объяснить недавние открытия в области адронов, содержащих тяжелые кварки.

Кризис в теории адронов существует давно и за последнее десятилетие только усугубился (в отличие от экономики, в физике любой кризис воспринимается исключительно положительно, ведь он только повышает интерес к данной области). Открытие эксперимента LHCb, возможно, станет тем недостающим звеном в цепи последних открытий, которое позволит наконец найти решение проблемы структуры адронов.