Коллайдер не нашел странные дибарионы
Коллаборация ALICE, работающая на Большом адронном коллайдере, сообщает о поиске экзотических шестикварковых частиц — дибарионов — в продуктах столкновений тяжелых ядер. Искомые дибарионы не обнаружены, и это ставит под сомнение целый пласт теоретических работ на эту тему. Статья коллаборации появилась в архиве электронных препринтов Корнельского университета и направлена в печать в журнал Physics Letters B.
Многокварковые адроны — это темная сторона физики сильных взаимодействий. На днях она вновь вышла на первые полосы научных СМИ, когда коллаборация LHCb неожиданно открыла пентакварки. Другая команда, работающая на коллайдере, ALICE, замахнулась на большее. Она искала дибарионы — гипотетические шестикварковые адроны, которые напоминают два слипшихся вместе бариона.
Среди всех возможных комбинаций, особенный интерес представляет дважды странный H-дибарион, частица с кварковым составом uuddss, содержащая два странных кварка. Этот дибарион был предсказан еще в 70-х годах, и, хоть первоначальный вариант модели быстро закрыли, теоретики с тех пор принялись изучать его во всех подробностях. Недавно они с помощью сложных численных расчетов предсказали, что такое связанное состояние действительно должно существовать. По поводу его структуры никакой определенности пока нет: это может быть настоящее шестикварковое состояние в общей силовой «упаковке», а может оказаться и просто связанным состоянием двух барионов (например, комбинацией ΛΛ или ΣΣ или даже ΞN).
В каком-то смысле, дважды странный дибарион можно даже представить себе как простейшее гиперядро. Вообще, более тяжелые гиперядра — т.е. такие ядра, куда, в нагрузку к протонам и нейтронам, входят Λ и другие барионы, — известны давно. Вверху показаны открытые гиперядра: главная плоскость — это обычные изотопы, ядра из протонов и нейтронов, а красные кубики над плоскостью показывают гиперядра, в которых нейтрон заменён странным барионом. Известны даже такие ядра как ΛΛ6He, в котором альфа-частица (ядро гелия) удерживает подле себя два Λ-бариона. Загадка H-дибариона, по сути, состоит в том, могут ли эти два бариона удерживаться вместе без помощи альфа-частицы.
Тут надо сделать небольшое пояснение по поводу связанных состояний. В обычной физике считается самим собой разумеющимся, что, если два неподвижных тела притягиваются друг к другу и ничто им не мешает, они слипаются вместе в единое целое. Какой бы слабой сила притяжения ни была — она всегда приводит к связанному состоянию. В квантовой механике это интуитивное свойство нарушается: для того, чтобы две частицы слиплись вместе, их притяжение должно быть сильнее некоторого порога. Слишком слабое притяжение не приводит к образованию связанного состояния. Именно поэтому, например, два нейтрона не могут образовать «изотоп нулевого элемента». Так что вопрос, могут ли те или иные адроны образовать связанное состояние, оказывается очень непростым.
Однако теория — теорией, а экспериментальная ситуация с H-дибарионом остается подвешенной. С одной стороны, эту частицу искали разные группы и ничего надежного
. С другой стороны, в прошлом году появились
на то, что другие, нестранные, дибарионы существуют. Сейчас главным полигоном для проверки разных теорий элементарных частиц является Большой адронный коллайдер, в котором такие частицы тоже, в принципе, могут рождаться при столкновении тяжелых ядер высокой энергии. В типичном соударении рождаются тысячи самых разных адронов, и может получиться так, что два возникших Λ-бариона случайно вылетят в близких направлениях и сольются в H-дибарион. Тогда по характерному его распаду на другие частицы дибарион можно попытаться обнаружить.
Наиболее подходящий инструмент для этого исследования — это детектор ALICE. Его «изюминка» — огромная, размером в несколько метров, время-проекционная камера, которая как бы делает моментальный трехмерный снимок тысяч разлетающихся частиц. Оцифровывая этот снимок, физики измеряют импульс каждой частицы и количество энергии, которую она тратит на ионизацию вещества. Эти числа наносят на график (показан ниже) и с его помощью удается разделять частицы разных типов: мезоны, барионы, антибарионы, и даже легкие ядра антивещества. Например, ALICE недавно уже зарегистрировал антидейтроны и антитритоны (ядра антидейтерия и антитрития, тяжелых изотопов антиводорода), и даже антигелий-3. И вот теперь накопленный опыт позволил физикам замахнуться и на поиск еще более экзотических частиц — дибарионов.
В появившейся недавно
коллаборация ALICE сообщает о результатах поисков двух конкретных дибарионов — дважды-странного H-дибариона (состав uuddss), и однократно-странного дибариона с составом uuddds (а точнее, его античастицы). В 2011 году, когда колладер в течение месяца работал в
, была накоплена статистика из почти 20 миллионов ядерных столкновений. Эта статистика наконец-то была обработана: физики отобрали из нее события, в которых рождались искомые наборы частиц, и пытались выяснить, можно ли их списать на следы распада дибарионов. Авторы работы сообщают, что никаких отклонений не видно: все согласуется с простейшим предположением, что частицы рождаются независимо, а не через промежуточную стадию дибариона. Таким образом, ALICE не подтверждает существование новых многокварковых адронов.
Обычно сообщение об отрицательном результате сопровождается припиской: отрицательный результат, мол, не опровергает существование искомой частицы; может быть, она существует, но только рождается очень редко. Здесь ситуация иная. Теоретики заранее рассчитали в рамках своих моделей, сколько в ядерных столкновениях должно рождаться различных барионов и какова вероятность того, что они случайно слипнутся друг с другом. Эти модели вполне хорошо описывают другие данные, например, количество родившихся антиядер. Поэтому нет оснований подозревать, что при описании Λ-барионов эти модели будут сильно ошибаться.
Однако результаты ALICE существенно расходятся с этими предсказаниями. Модели говорят, что должно было быть достаточно много случаев рождения и распада дибарионов, но детектор не увидел ни одного. Таким образом, коллайдерные данные вступают в прямой конфликт с теоретическими расчетами.
Можно представить себе несколько вариантов разрешения этого конфликта (опуская, конечно, маловероятную возможность какой-то новой неучтенной эксприментальной ошибки). Во-первых, может банально оказаться, что странные дибарионы не существуют, что идет вразрез с численными расчетами. Во-вторых, можно предположить, что модели рождения барионов в ядерных столкновениях как раз в этом случае врут; это тоже кажется странным, поскольку другие данные эти модели описывают неплохо. В-третьих, не исключено, что эти дибарионы существуют и что они хорошо рождаются, но тут же распадаются по какому-то другому каналу распада, на который в этом исследовании никто не обратил внимание. Но и тут придется предъявлять вопросы к теории, ведь она претендовала на описание не только рождения, но и распада дибарионов.
В целом, получается, что отрицательный результат ALICE привнес новую загадку в этот и без того запутанный раздел физики сильных взаимодействий. Физикам теперь придется разбираться не только со свойствами только что открытых пентакварков, но и с неоткрытыми дибарионами — а это задача куда сложнее.
Игорь Иванов