Физики обнаружили кварковый аналог термоядерных реакций

Тяжелые барионы могут вступать в аналог термоядерной реакции, в ходе которой образуется более тяжелая частица. При этом выделяется энергия, сопоставимая с энергией обычных термоядерных реакций. Посвященная исследованию этих процессов статья физиков из США и Израиля опубликована в Nature.

Термоядерная реакция — реакция, в ходе которой легкие элементы сливаются в более тяжелые. Чтобы осуществить ее, ядра атомов должны преодолеть кулоновское отталкивание и сблизиться на масштабы, на которых начнет сказываться сильное взаимодействие. Если энергия связи ядра конечного элемента будет больше, чем энергия связи исходных ядер, им будет выгодно слиться, возможно, выбросив при этом лишние нейтроны или протоны. При этом высвободившаяся энергия связи перейдет в кинетическую энергию движения ядер или выброшенных нуклонов.

В июле этого года коллаборация LHCb сообщила об открытии дважды очарованного бариона Ξ_cc⁺⁺, который состоит из двух очарованных кварков и одного верхнего (собственно статья, посвященная открытию, была опубликована только в сентябре). Масса новой частицы составляет 3621 мегаэлектронвольт, а энергия связи между двумя очарованными кварками в ней равна примерно 130 мегаэлектронвольт. Такая большая энергия позволяет предположить, что частица будет участвовать в некотором аналоге термоядерных реакций.

В данной статье ученые рассмотрели реакцию слияния двух тяжелых лямбда-барионов Λ_c, состоящих из c-, u- и d-кварков. В ходе реакции кварки перераспределяются между частицами, и в результате образуется дважды очарованный барион (кварки c, c, u) и нейтрон (кварки u, d, d). Массы всех участвующих в реакции частиц известны, что позволяет рассчитать, какая энергия будет в ней выделяться. Оказывается, что эта энергия составляет около двенадцати мегаэлектронвольт, что находится на уровне обычных термоядерных реакций.

Также физики рассмотрели гипотетическую реакцию слияния тяжелых барионов Λ_b и Λ_b в дважды прелестный барион Ξ_bb (при этом также образуется нейтрон N), а также реакцию Λ_b Λ_c → Ξ_bc N. Для вычисления выделяющихся в ходе слияния энергий они использовали существующие оценки для масс барионов Ξ_bb и Ξ_bc. По этим оценкам, энергетический выход первой реакции составляет около ста сорока мегаэлектронвольт, второй — около пятидесяти.

Ключевым эффектом, определяющим течение указанных реакций, является взаимодействие между тяжелыми кварками. Поскольку оно осуществляется через эффективный потенциал, связывание должно определяться приведенной массой кварков. В самом деле, оказывается, что выделяющаяся в ходе реакции энергия зависит от этой массы линейно. Именно поэтому в реакциях с более тяжелым b-кварком выделяется больше энергии, а реакции со сравнительно легкими s-кварками вообще не идут.

Также авторы статьи отмечают, что в данных реакциях нарушается аналог формулы Гелл-Манна—Окубо для тяжелых кварков. Это нарушение они объясняют тем, что формула получена в предположении слабого нарушения флейворной симметрии (flavour symmetry), которая отсутствует при замене странного кварка на очарованный или прелестный.

Большая энергия связи между тяжелыми кварками играет важную роль и в других процессах. Например, благодаря ей возможно существование стабильного тетракварка bbud, который иначе бы очень быстро распался на мезоны B⁻, B^*0 и фотон. В действительности процесс идет в обратную сторону, и мезоны сливаются в тетракварк с выделением энергии около двухсот мегаэлектронвольт (что, между прочим, на порядок превосходит выделение энергии в обычных термоядерных реакциях). Точнее, должен идти, поскольку указанный тетракварк экспериментально еще не открыт. 

В свое время мы писали об открытии дважды очарованного бариона, который участвует в указанном аналоге термоядерной реакции. Подробнее о том, как на LHCb ищут «новую физику», вы можете прочитать в нашем материале.

Дмитрий Трунин