Коллаборация LHCb, работающая на Большом адронном коллайдере, сообщила об обнаружении адрона нового типа — пентакварка со скрытым очарованием. Статистическая значимость находки огромна: 12 стандартных отклонений. Была найдена и вторая структура, но для нее окончательного вердикта пока не вынесено. Статья с результатами исследования появилась на сервере электронных препринтов arxiv.org (arXiv:1507.03414); об открытии также сообщает пресс-офис ЦЕРНа.
Соедините много однотипных атомов — и вы получите сложную тяжелую молекулу. Сведите вместе много протонов и нейтронов — и возникнет новое тяжелое ядро. Поместите рядом много кварков или антикварков — и у вас ничего не получится. Такая комбинация просто развалится на отдельные адроны — мезоны, составленные из кварк-антикварковых пар, или барионы, построенные из трех кварков. Такой естественный принцип, когда тяжелые объекты получаются комбинированием всё большего числа легких, перестает работать на уровне кварков. Собственно, отсюда и берутся атомные ядра — если бы он работал для кварков, протоны и нейтроны слились бы вместе в одно многокварковое состояние.
Почему так получается — одна из загадок физики элементарных частиц, ее раздела, изучающего сильные взаимодействия. Исходная теория взаимодействия кварков и глюонов никаких намеков на этот закон не дает. Но каким-то образом ее формулы приводят к тому, что многокварковые состояния становятся «изгоями природы». Они формально не запрещены, но в силу каких-то причин «нежелательны»: либо очень неустойчивы, либо плохо рождаются в процессах с обычными адронами.
Тем не менее, прямого запрета на многокварковые состояния нет, и потому теоретики уже давно изучают целые классы таких частиц: тетракварки (два кварка, два антикварка), пентакварки (четыре кварка и один антикварк), гибридные мезоны (частицы, в состав которых на полном праве входят глюоны) и т.п. Более того, некоторые из известных легких мезонов уже давно находятся под подозрением, что внутри них могут скрываться не кварк-антикварковые пары, а более сложные комбинации. Проблема лишь в том, что проверить это предположение невероятно трудно: при взаимодействии легких адронов существует такая прорва эффектов, что просто не удается однозначно сопоставить их наблюдаемые свойства с теоретическими предсказаниями для многокварковых состояний.
Кульминацией этих трудностей для легких многокварковых состояний стала история десятилетней давности с пентакварком Θ(1540). Теоретически предсказанный в конце 90-х, он был экспериментально обнаружен сразу десятком экспериментов в 2003-2004 годах, но затем под натиском новых, более точных данных открытие было развенчано (см. подробнее в заметке В поисках пентакварка одного из авторов теоретического предсказания). Полемика тогда достигала мощного накала, и даже сейчас далеко не все согласились с «отменой» Θ.
Как бы то ни было, саму возможность многокварковых состояний та история не закрывает; вопрос лишь в том, какие из них удастся надежно обнаружить в эксперименте. Для того, чтобы хоть слегка распутать ситуацию, физики начали искать более тяжелые адроны, которые можно было бы заподозрить в многокварковости. Это, например, мезоны со скрытым «очарованием» или скрытой «прелестью», которые не вписывались в простую схему тяжелой кварк-антикварковой пары.
Небольшое терминологическое пояснение. Существует шесть типов кварков, пять из которых способны образовывать адроны. Первые два типа, u и d — легкие, из них состоят протоны и нейтроны. Третий кварк, s, тоже сравнительно легок и называется по историческим причинам «странным». Четвертый — это c-кварк («цэ-кварк»), который физики ласково называют «очарованным». Мезоны, содержащие c-кварк, тоже называют очарованными мезонами. Однако если внутри адрона есть очарованный кварк вместе с очарованным же антикварком, то такая комбинация уже напоминает обычный адрон. На физическом жаргоне про него говорят, что он обладает «скрытым очарованием». Аналогичные названия перекочевали и в адроны, содержащие пятый («прелестный») кварк.
В 2000-е годы было открыто множество очарованных и прелестных мезонов, в принципе напоминающих тетракварки. Для одного из них, частицы Z(4430), удалось совсем недавно вынести окончательный вердикт. Коллаборация LHCb не просто обнаружила четкий всплеск на графике распределения числа событий по инвариантной массе дочерних частиц, но и впервые доказала его резонансную природу. Когда процесс рождения частиц идет через промежуточный резонанс, амплитуда рождения описывает красивую дугу на комплексной плоскости, и по ней частицу-резонанс можно отличить от более простых эффектов.
В новой статье та же коллаборация LHCb сообщила об аналогичном поиске пентакварка со скрытым очарованием. Из всей статистики, накопленной в ходе LHC Run 1, были выбраны события рождения и распада прелестного бариона Λ
на комбинацию адронов J/ψK
p. Как и любой трехчастичный адронный распад, он может идти разными способами (см. рис. 2). Физики умеют их различать с помощью правильных методов анализа статистики. Этот распад часто идет через рождение J/ψ -мезона и одного из многочисленных Λ*-барионов, а они потом распадаются на протон и K-мезон. Но анализ, выполенный LHCb, показал, что в этом конкретном случае работает также и последний вариант на рис. 2, когда появляется сначала K-мезон и новая частица (она была обозначена P
), распадающаяся затем на J/ψ и протон. Вот такая частица в трехкварковую структуру не вписывается, поскольку это барион, содержащий c-анти-c-пару.
В отличие от старой истории с легким пентакварком, здесь коллаборация набрала настолько большую статистику, что никаких сомнений в реальности нового резонанса не осталось. Более того, при внимательном изучении распределения числа событий по инвариантной массе J/ψ-протонной пары обнаружился не один, а сразу два пентакварка. У обоих из них статистическая значимость очень высока: узкий резонанс P
(4450)
виден на уровне аж 12 стандартных отклонений, более широкий P
(4380)
— 9 стандартных отклонений. Даже по строгим критериям, принятым в физике частиц, это более чем достаточно для заявление о надежном открытии.
Финальным аккордом стала проверна резонансной природы этих всплесков. Как и в случае с тетракварком Z(4430), авторы проверили, как меняется фаза амплитуды рождения при прохождении через эти пики. В случае узкого пентакварка амплитуда описала красивую дугу, что с полной ясностью доказывает реальность резонансного эффекта. Для широкого пентакварка ситуация оказалась более запутанной из-за больших погрешностей, поэтому от окончательного вывода насчет него авторы работы пока воздержались.
Нет сомнений, что теоретические и экспериментальные исследования пентакварков, поутихшие в последние годы, сейчас возобновятся с новой силой. Надо сказать, что теоретики уже рассматривали возможные свойства пентакварков, содержащих c-кварк, но это были состояния с открытым очарованием, без анти-c-кварка. На счет них у LHCb данных пока что нет. Поэтому экспериментаторам (причем не только из LHCb) сейчас следует расширить варианты поиска и поохотиться за целым семейством пентакварков. А теоретикам предстоит разобраться с устройством и свойствами новых открытых частиц: являются ли они просто протон-мезонной парой, связанной сильным взаимодействием, или же они по-настоящему раскрывают друг другу свои «адронные объятия» и объединяют свой кварковый состав в единое целое.
Игорь Иванов