Research

На ВАК виявили екзотичні частинки з п'яти кварків

Все, що ви бачите навколо, складається зелементарних частинок - кварків і лептонів, які можуть об'єднуватися з формуванням більших частинок, таких як протони або атоми. Але цим не обмежується: ці субатомні частинки можуть також з'єднуватися екзотичним чином, будь ми ніколи не бачили. Колаборація ЦЕРН LHCb оголосила про відкриття нових частинок, які отримали назву «пентакварков». Результати їх роботи можуть допомогти нам відкрити безліч загадок теорії кварків, найважливішої частини Стандартної моделі.

На ВАК знайшли пентакваркі: що це таке?

Кварки вперше були запропоновані для поясненнядивацтв нових частинок, виявлених в космічних променях і в ході експериментів на коллайдерах в середині 20 століття. Цей зростаючий «зоопарк» по всій видимості фундаментальних частинок викликав сум'яття в рядах фізиків, які обожнюють простоту і порядок - і дуже не люблять плодити основні принципи. Знаменитий італійський фізик Енріко Фермі помітив настрій колег і сказав наступне: «Юначе, якби я міг згадати назви всіх цих частинок, я був би ботаніком».

На щастя, в 1960-х роках американський фізикМюррей Гелл-Манн зауважив в зоопарку частинок закономірності, подібні до тих, які помітив Дмитро Менделєєв, складаючи періодичну таблицю хімічних елементів. Подібно до того, як періодична таблиця має на увазі існування речей, які менші за атоми, теорія Гелл-Мана припускала існування нового класу фундаментальних частинок. Фізики частинок в кінцевому підсумку змогли пояснити, що сотні частинок в зоопарку складаються з набагато меншого числа дійсно фундаментальних частинок, званих кварками.

загадкові адрони

У Стандартної моделі є шість типів кварків -нижній, верхній, дивний, зачарований, красивий і істинний. У них також є супутники у вигляді антиматерії - вважається, що у кожної частинки є версія з антиматерії, практично ідентична їй, але з протилежним зарядом. Кварки і антикварки об'єднуються зі створенням частинок, відомих як адрони.

Згідно з моделлю Гелл-Манна, є два широкихкласу адронів. Одна з частинок складається з трьох кварків - баріонів (які включають протони і нейтрони, що становлять атомні ядра) - і інших частинок, що складаються з кварка і антікварка, тобто мезонів.

До недавніх пір баріони і мезони булиєдиними типами адронів, які спостерігалися експериментально. Але в 1960-х роках Гелл-Манн також вивів можливість більш екзотичних комбінацій кварків, таких як тетракварк (два кварка і два антікварка) і пентакварков (чотири кварка і один антікварк).

У 2014 році LHCb, де проводиться один з чотирьохгігантських експериментів на Великому адронному колайдері ЦЕРНу, опублікував результати, що показують, що частка Z (4430) + була тетракварк. Це породило потік інтересу до нових екзотичних адронів. Потім, в 2015 році, LHCb анонсував відкриття першого в історії пентакварка, який додав абсолютно новий клас частинок в сімейство адронів.

Результати, представлені LHCb сьогодні,розширюються після того першого відкриття пентакварков за рахунок виявлення додаткових таких частинок. Це стало можливо завдяки потоку нових даних, записаних під час другого запуску Великого адронного коллайдера. Лімінг Чжан, професор Університету Цінхуа в Пекіні і один з фізиків, які проводили вимірювання, каже, що «зараз у нас в десять разів більше даних, ніж у 2015 році, що дозволяє нам бачити більш цікаві і тонкі структури, ніж раніше». Коли Лімінг і його колеги досліджували оригінальний пентакварк, виявлений в 2015 році, вони були здивовані, дізнавшись, що він розділився на дві частини. Початковий пентакварк представляв собою дві окремі частинки-пентакварка, які мали настільки схожі маси, що їх прийняли за одну частку.

Але два пентакварка за ціною одного - це ще невсі цікаві новини. LHCb також знайшов третій пентакварк з масою менше, ніж у перших двох. Всі три пентакварка складаються з одного нижнього кварка, двох верхніх, зачарованого кварка і зачарованого антікварка.

Велике питання полягає ось у чому: яка точна внутрішня структура цих пентакварков? Один з варіантів полягає в тому, що вони дійсно складаються з п'яти кварків, причому змішаних рівномірно в одному адронний. Інша можливість в тому, що пентакваркі насправді представляють собою баріон і мезон, які злиплися докупи з утворенням слабо пов'язаної молекули, подібно до того, як протони і нейтрони зв'язуються разом всередині атомного ядра.

Томаш Скварніцкій, професор фізики в Сіракузькомууніверситеті в Нью-Йорку, який також працював над виміром, розповів, що новий стан володіє «масою, яка дає підказки про внутрішню структуру пентакварков». Найбільш ймовірний варіант полягає в тому, що ці пентакваркі є баріон-мезонними молекулами, додає він. Щоб бути абсолютно впевненими, фізикам потрібно буде провести додаткові експерименти, а також розробити теорію. Це означає, що історія пентакварков ще далека від завершення.

Ці результати завершують тиждень неймовірнихоголошень LHCb, в числі яких відкриття нового виду асиметрії матерії і антиматерії. БАК поки не виявив ніяких частинок, що виходять за рамки Стандартної моделі, які могли б допомогти пояснити загадки на зразок темної матерії, невидимої і невідомої субстанції, що становить більшу частину матерії у Всесвіті.

Однак ці захоплюючі виміри показують,що багато ще належить дізнатися про частки і сили Стандартної моделі. Можливо, наш кращий шанс знайти відповіді на великі питання, що стоять перед фундаментальною фізикою, полягає в більш детальному вивченні частинок, про які ми вже знаємо, а не у відкритті нових. У будь-якому випадку, багато що ще належить відкрити.

Як думаєте, що ще ми знайдемо? Розкажіть в нашому чаті в Телеграма.