Эксперимент в ЦЕРН подтвердил существование редких многокварковых состояний

Квантовая хромодинамика (КХД) — часть Стандартной модели, описывающая сильные взаимодействия, то есть взаимодействия, в которых участвуют адроны. Последние, в свою очередь, состоят из кварков и антикварков. Стандартная модель не только описывает мезоны (адроны из кварк-антикварковой пары) и барионы (адроны из трех кварков), но и допускает существование более сложных структур (тетракварки, пентакварки, глюболы и т. д.). Впрочем, несмотря на то, что многокварковые состояния не противоречат природе сильных взаимодействий, до 2003 года они экспериментально не наблюдались. Первые указания на существование более сложных, чем мезоны и барионы, кварковых систем появились в 2003 году с обнаружением детектором Belle четырехкваркового состояния X(3872). В 2015 году в эксперименте LHCb были зарегистрированы сразу два пентакварка со скрытым чармом (частицы, содержащие систему с-кварка анти-с-кварка). За прошедшее время была значительно улучшена точность эксперимента и повышен в девять раз объем анализируемой статистики, что позволило в 2019 г. объявить об обнаружении уже трех пентакварков.

— Главный результат эксперимента 2019 года заключается в том, что одно состояние, обнаруженное в 2015 году, расщепилось на два, то есть надежно было установлено, что тот пик, который был зарегистрирован как один пентакварк, оказался двумя близкими по массе состояниями, — прокомментировал заместитель директора ИЯФ СО РАН, декан Физического факультета НГУ, участник коллаборации LHCb, член-корреспондент РАН Александр Бондарь. — В результате мы имеем два «расщепившихся» пентакварка с массами 4440 и 4457 МэВ и еще один пентакварк с массой 4,3 ГэВ, который в предыдущем эксперименте не выглядел статистически значимым.

Хотя пентакварки и называют иногда «экзотическими» состояниями, на самом деле они вполне ожидаемы в рамках Стандартной модели. Термин «экзотический» скорее применим к явлениям вне рамок Стандартной модели.

— В физике высоких энергий принято верифицировать результаты в независимых экспериментах на других установках, — пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, заведующий кафедрой физико-технической информатики ФФ НГУ, сотрудник коллаборации LHCb, кандидат физико-математических наук Павел Кроковный. — Но в данном случае проблема в том, что Λb-барион рождается только на коллайдере LHC. Электрон-позитронный коллайдер SuperKEKb возобновил набор данных с детектором Belle II, однако энергии коллайдера не хватит для рождения Λb, это технически невозможно. Другим экспериментам на LHC (ATLAS и CMS) не хватит точности определения массы, чтобы увидеть пентакварки в распадах Λb. Впрочем, полученные в 2019 г. на LHCb результаты можно считать вполне надежными. Статистическая значимость обнаружения двух пентакварков, которые раньше выглядели как один, больше 5 стандартных отклонений.

О высокой надежности эксперимента 2019 года говорит то, что он не только подтвердил результаты 2015 года, но и с большей точностью и аккуратностью уточнил их. Дальнейшая задача ученых состоит в том, чтобы определить, основываясь на свойствах экспериментально наблюдающихся состояний, хотя бы качественную модель явления. Дело в том, что подобные эксперименты опережают понимание происходящего. Из-за вычислительных сложностей КХД не может предсказать не только основные параметры пентакварков, но и то, должны ли они существовать или нет.

— Мы не можем предсказать, где будут обнаружены следующие пентакварки, — добавил Александр Бондарь, — мы можем лишь пока определить, с какой моделью лучше согласуется наблюдаемая в эксперименте картина. Однако экспериментальные результаты стимулируют развитие новых методов, например, численные расчеты в КХД на решетках, которые способны обеспечить прорыв в понимании многокварковых систем.

По словам Александра Бондаря, изучение новых многокварковых систем поможет расширить представления об универсальных свойствах и законах природы, о том, как устроена сильновзаимодействующая (ядерная) материя, и, возможно, будут получены дополнительные знания об устройстве и эволюции звезд.

По материалам пресс-службы ИЯФ СО РАН.