Эксперимент в ЦЕРН подтвердил существование редких многокварковых состояний

Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), 26 марта на конференции Moriond QCD объявила об обнаружении в распадах Λb-бариона трех пентакварков – «экзотических» структур, состоящих из пяти кварков. Эксперимент LHCb 2019 г. уточнил результаты, полученные в 2015 г., и благодаря лучшей точности, зарегистрировал не два пентакварка, как было заявлено ранее, а три.

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 г. с обнаружением детектором Belle четырехкваркового состояния X(3872). В 2015 г. в эксперименте LHCb были зарегистрировали 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 г. заключается в том, что одно состояние, обнаруженное в 2015 г., 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 вполне ожидаемы в рамках Стандартной модели. Термин «экзотический» скорее более применим к явлениям вне рамок Стандартной модели.

Схема возможного расположения кварков в пентакварковой частице. Image: Daniel Dominguez.

«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, но 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 г. говорит то, что он не только подтвердил результаты 2015 г., 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 даже должны ли они существовать или нет.

«Мы не можем предсказать, где будут обнаружены следующие пентакварки, – добавил Александр Бондарь, – мы можем пока лишь определить, с какой моделью лучше согласуется наблюдаемая в эксперименте картина. Однако, экспериментальные результаты стимулитуют 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 сильно взаимодействующая (ядерная) материя, возможно, будут получены дополнительные знания об устройстве и эволюции звезд.