«Тетракварки — это Дикий Запад»

0   11   0

Физика
6 марта 13:20


56dc04825f1be74633002b67

В прошлый четверг физики из коллаборации DZero сообщили об открытии новой частицы — тетракварка X (5568). Самым удивительным его свойством оказался кварковый состав — все четыре кварка оказались обладателями разных квантовых ароматов, чего раньше исследователи не встречали. При ближайшем рассмотрении можно обнаружить еще один необычный факт: частица была обнаружена в архивных данных ныне закрытого предшественника LHC — Тэватрона. С вопросами о том, как ей удалось «скрываться» более пяти лет от внимательных физиков, первооткрывателей топ-кварка, мы обратились к руководителю коллаборации, Дмитрию Денисову.

N+1: Чтобы разобраться с открытием, начнем с самых основ. А что такое тетракварки? Какое место они занимают среди всех частиц? Ведь ранее было открыто много тетракварков.

Дмитрий Денисов: Когда кварки были предсказаны в середине 60-ых годов, это была попытка объяснить мир элементарных частиц, которые физики начали в тот момент открывать. Был целый зоопарк разных частиц: пи-мезоны, K-мезоны, протоны, нейтроны и их трудно было классифицировать. Это сравнимо с тем, что было два столетия назад: химики знали массу химических элементов, реакции между ними, но не была понятна их классификация. И, как двести лет назад ее придумал Менделеев, так всего пятьдесят лет назад кварковую систему элементарных частиц предложил Гелл-Манн. В своей статье он писал, что все частицы, которые мы наблюдаем, можно классифицировать — либо как мезоны, которые состоят из двух кварков, кварка и антикварка, либо как барионы, состоящие из трех кварков, например как протон и нейтрон. Там же Гелл-Манн написал, что в принципе могут быть состояния, состоящие и из четырех кварков — тетракварки, — пяти кварков и более сложные объекты.

Такие состояния действительно оказались возможны и на протяжение последних 10-12 лет ученые открывают частицы, которые, похоже, состоят из четырех и иногда даже из пяти кварков. Какроль играют эти частицы в природе? Хороший вопрос. На сегодняшний день ни теоретики, ни экспериментаторы не очень понимают, зачем нужны эти тетракварки и пентакварки. Сейчас наша задача более простая — мы пытаемся посмотреть, образования кварков какого типа существуют в природе, какие у них массы и какие у них свойства. По аналогии с шестидесятыми, после того, как будет открыто много таких объектов, мы сможем построить более логичные предсказательные модели того, как эти кварки складываются в состояния из четырех, пяти и, возможно, более частиц.

N+1: Почему новый тетракварк можно назвать особенным?

Д. Д.: Поскольку на сегодняшний день у нас нет теории, которая объясняет, как эти кварки между собой связаны, мы пытаемся открыть как можно больше частиц, которые можно интерпретировать как четырехкварковые состояния. Конечно, одна из наиболее интересных интерпретаций этих состояний это кварковый состав. Мы можем с большой долей вероятности сказать, что состав нового тетракварка можно назвать уникальным. В нем есть четыре кварка разного аромата: u (верхний), d (нижний), s (странный) и b (прелестный). Является ли это какой-то очень важной чертой тетракварков в целом — мне трудно сказать. Но мы надеемся, что это открытие поможет теоретикам, которые должны будут из этих кусочков кроссворда каким-то образом собрать картину. Все кварки, которые в этом тетракварке есть, обладают разными массами, причем два из них, s- и b-кварки, тяжелые. Наверное, это говорит нам о природе тетракварков.

Все тетракварки, которые были обнаружены ранее, как правило, содержали парные кварки одного типа. Например, b- и анти-b-кварки и пара легких кварков, скажем, u- и анти-u-кварки. То есть у нас были два нейтральных объекта, которые в этом тетракварке были как-то связаны. В нашем случае, из-за того, что все кварки разные, это объект нового типа.

N+1: Как так получилось, что частицу обнаружили уже спустя 5 лет спустя закрытия коллайдера?

Д. Д.: Есть два момента. Во-первых, гораздо проще открывать заранее предсказанные объекты. Например, бозон Хиггса. По большому счету для нас, экспериментаторов, теоретики предсказали все свойства этой частицы с очень хорошей точностью. Мы на Тэватроне чуть-чуть не дотянули его открыть. Мы знали все, кроме его массы — моды (способы — прим. ред.) распада, сечение образования (характеристика вероятности возникновения частицы — прим. ред.). В предсказанных теоретиками каналах распада бозон Хиггса и был найден.

В чем проблема с тетракварками? Опять же, пока не существует модели, которая предсказывала бы их свойства. Мы не знаем, какие массы этих частиц должны быть, какие кварковые составы, на какие частицы они могут распадаться, с какой вероятностью. Эта область похожа на 50-ые и 60-ые, когда физики на разных ускорителях — в Протвино, ИТЭФе, Брукхейвене — открывали частицы с разными массами. Все, что происходит сегодня с тетракварками, это как Дикий Запад, поэтому пока трудно предсказать, когда и какой тетракварк будет открыт.

Во-вторых, надо понимать, что на Тэватроне, как и на других коллайдерах — LHC, например, — мы набрали огромный объем данных. Представьте себе одно столкновение протона с антипротоном. В нем рождаются десятки частиц. Какие из них нужно выбрать для того, чтобы увидеть новую частицу — непростой вопрос. В конце концов нам нужно было выбрать пять заряженных частиц с очень определенными параметрами.

N+1: И все же, поиски в архивных данных — вы искали конкретную частицу?

Д. Д.: Мы, на самом деле, занимались прошлым летом поиском немного других объектов. Мы хотели посмотреть, можем ли мы увидеть то же, что и LHC, подтвердить открытие пентакварка коллаборацией LHCb. Затем мы решили посмотреть, — «а если здесь не протон, а если мы добавим пи-мезон?», «а может ли в этих распадах что-то быть?». И действительно, мы практически сразу увидели большой пик, который в случае элементарных частиц говорит о том, что какая-то частица была создана и потом распалась на эту цепочку из пяти заряженных частиц. После многократных проверок оказалось, что с большой вероятностью она является новым кандидатом в тетракварки.

То, что частица в конце концов была открыта именно на Тэватроне — не удивительно. Как вы видите, масса этого объекта относительно небольшая — около 5,5 гигаэлектронвольт. То есть энергии, которая есть на Тэватроне, более чем достаточно для того, чтобы такие частицы рождать. Для этого не нужен LHC — это не какой-то объект с массой 1 или 2 тераэлектронвольта, когда энергии в системе центра масс в Тэватроне просто не хватает. А поскольку энергия у нас меньше, чем у LHC, то и вторичных частиц у нас рождается меньше. Благодаря этому, для таких объектов как этот тетракварк, соотношение сигнал-фон оказывается лучше.

Мы пытаемся сохранить данные Тэватрона в такой форме, чтобы их можно было анализировать еще 5-10 лет. Если теория тетракварков и пентакварков будет развита и будут предсказаны какие-то другие состояния, у нас будет возможность посмотреть в наши данные — рождплись ли такие частицы на Тэватроне. Проблема в том, что без теоретических предсказаний трудно понять, какие комбинации рождающихся частиц надо изучить. А в каждом из накопленных миллиардов столкновений рождаются сотни частиц. Вот почему открытие потребовало 5 лет. И опять-таки, в некотором смысле это была случайность.

N+1: В комментарии журналу Symmetry Вы сказали о том, что научная группа сначала не поверила в то, что пик связан с новой частицей. Почему?

Д. Д.: Конечно, мы относимся критично к любому из наших результатов. Сначала мы смотрим на различные гистограммы, видим нечто похожее на пик в массовом спектре, который обычно соответствует частице. Но может быть много технических проблем, которые могут сымитировать такой пик. Это может быть каким-либо совпадением заряженных треков, а их пять в нашем случае. Попарно они образуют другие частицы, например, пара мюонов образуют J/ψ-частицу, пара каонов образует φ-частицу. Я помню, первый месяц мы думали «вообще как-то нет, ну не может этого быть, где-то что-то мы не так сделали». Для меня одним из наиболее важных моментов было то, что в коллаборации появилось большое возбуждение, все были заинтересованы, что это может быть новый объект.

Читать дальше.


Автор: Владимир Королёв

Источник: N+1


0



Для лиц старше 18 лет