Тетракварк что это такое

Физики открыли новую элементарную частицу – тетракварк

Большой адронный коллайдер, как известно, машина невероятно сложная. Среди основных задач ускорителя заряженных частиц – разгон протонов и тяжелых ионов и изучения продуктов их соударений. Так что когда говорят «эти колдуны-ученые дробят материю на атомы», все действительно так, за исключением, конечно, того, что ученые – не колдуны. Новое исследование, результаты которого были представлены в ходе международной научной конференции по физике, подтвердило существование ранее неизвестной частицы, которая представляет собой тетракварк – экзотический адрон, содержащий два кварка и два антикварка. Это – самая долгоживущая частица экзотической материи, которую когда-либо открывали исследователи, и первая, содержащая два тяжелых кварка и два легких антикварка. И прежде чем вы окончательно запутаетесь, напомним, что кварки – это фундаментальные строительные блоки, из которых строится материя. Объединяясь, эти субатомные частицы образуют адроны – группу, включающую знакомые протоны и нейтроны (иными словами, кварки меньше, чем просто маленькие.) Протоны и нейтроны состоят из трех кварков, но недавно обнаруженная частица адрона состоит из четырех, что делает ее разновидностью тетракварка – абсолютно новой частицы.

Тетракварк что это такое. Тетракварк что это такое фото. картинка Тетракварк что это такое. смотреть фото Тетракварк что это такое. смотреть картинку Тетракварк что это такое.

Физики открыли новую элементарную частицу – двойной тетракварк

Интересно, что в последние годы был обнаружен ряд так называемых экзотических адронов – частиц с четырьмя или пятью кварками вместо обычных двух или трех. Новое открытие касается особенно уникального и по-настоящему экзотического адрона.

Мир элементарных частиц

Элементарные частицы, хотя и невидимы человеческому глазу, составляют как и нас самих, так и все, что нас окружает. Говоря о кварках, важно понимать, что они отличаются друг от друга массой и зарядом. Новый тетракварк – первый экзотический адрон, который ученые называют очаровательным. Причина заключается в том, что два его кварка присутствуют рядом с антикварками, а вот они не очаровательны совершенно.

Кварки можно рассматривать как кирпичики Lego, поэтому просто обнаружить новую комбинацию из четырех кварков, которые ранее не наблюдались – не такой уж увлекательный процесс как может показаться. Что интересно изучать, так это ТО, КАК эти частицы объединяются – понимая эти процессы мы наконец сможем узнать как кварки склеиваются между собой, – сообщила Фрейя Блекман, физик из Университета Врие в Брюсселе, которая не принимала участия в исследовании. Я думаю, что это очень захватывающий результат.

Тетракварк что это такое. Тетракварк что это такое фото. картинка Тетракварк что это такое. смотреть фото Тетракварк что это такое. смотреть картинку Тетракварк что это такое.

Кварки – это строительные блоки материи. Их изучение помогает нам лучше понять Вселенную и окружающий мир.

Итак, новая частица содержит два кварка и два антикварка – злые близнецы кварка, если можно их так назвать. В последние годы было обнаружено несколько тетракварков (в том числе один с двумя кварками и двумя антикварками). Новое открытие физики выделяют особенно, так как частицы, содержащие кварк и антикварк, обладают по их словам «скрытым очарованием».

Еще больше увлекательных статей о последних открытиях в области физики частиц и не только читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!

Почему тетракварк – особенная частица?

Экзотические частицы, подобные новому тетракварку, могут создаваться в ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер, но появляются и исчезают они чрезвычайно быстро. Считается, что новый тетракварк существует довольно долго, прежде чем распадется. Но «долго» в данном случае – невероятно короткий период времени, за который вряд ли эту частицу можно измерить в наших, уж извините, человеческих терминах.

Продолжительно жизни нового тетракварка вероятно, немного превышает одну квинтиллионную секунды, – сказал Патрик Коппенбург, физик из Голландского национального института субатомной физики и член команды LHCb в ЦЕРН.

Как и многие другие кварковые состояния, новая частица была обнаружена найден физиками с использованием метода, под названием «охота за ударами». По сути, исследователи запускают ускоритель частиц и позволяют частицам сталкиваться, следя за неожиданным количеством энергии или массы в системе. Когда они получают результаты, не синхронизированные с основным шумом системы и отфильтровав все не относящиеся к делу сигналы, у физиков появляется подсказка – они наткнулись на что-то новое.

Тетракварк что это такое. Тетракварк что это такое фото. картинка Тетракварк что это такое. смотреть фото Тетракварк что это такое. смотреть картинку Тетракварк что это такое.

Большой адронный коллайдер в ЦЕРН позволяет ученым раскрывать самые удивительные тайны Вселенной.

Кстати, именно в следствие такой охоты в 2012 году был обнаружен бозон Хиггса. Подробнее о том, что представляет собой эта элементарная частица читайте в материале моего коллеги Артема Сутягина.

Отметим также, что результаты, полученные с помощью БАК, способствуют пониманию физиками того, как взаимодействуют фундаментальные частицы. Что же до нового тетракварка (научно записанный как Tcc+), то он распадается медленно, так как лишь немногим тяжелее частиц, на которые он распадается. Предыдущие результаты LHCb позволили физикам-теоретикам предсказать в 2017 году, что подобный тетракварк, называемый Tbb, может быть полностью стабильным, что означает, что он вообще не распадется из-за сильного взаимодействия.

Это будет прорыв в физике элементарных частиц, если будет доказано открытие нового типа тетракварка с двумя тяжелыми кварками и двумя легкими антикварками»,- отметил Руй-Линь Чжу, физик-теоретик из Нанкинского нормального университета в Китае. Новое открытие яявляется абсолютным триумфом теоретических предсказаний.

Тетракварк что это такое. Тетракварк что это такое фото. картинка Тетракварк что это такое. смотреть фото Тетракварк что это такое. смотреть картинку Тетракварк что это такое.

Физика элементарных частиц – очень увлекательная наука.

В целом, новый эксперимент подтверждает ранее полученные исследователями выводы: «теперь мы знаем, что это частицы правят адронной вселенной», – отмечают физики. Более того, открытие открывает путь для поиска более тяжелых частиц того же типа, с одним или двумя кварками. Ну а новая частица – очень заманчивая цель для дальнейшего изучения.

Дело в том, что частицы, на которые распадается тетракварк, сравнительно легко обнаружить, и в сочетании с небольшим количеством доступной энергии при распаде это приводит к превосходной точности определения массы тетракварка и позволяет изучать квантовые числа этой увлекательной частицы. Это, в свою очередь, может обеспечить строгую проверку существующих теоретических моделей и даже потенциально может позволить исследовать ранее недостижимые эффекты. Наука, вперед!

Источник

Ученые оценили открытие «Мафусаила мира экзотических частиц»

Тетракварк что это такое. Тетракварк что это такое фото. картинка Тетракварк что это такое. смотреть фото Тетракварк что это такое. смотреть картинку Тетракварк что это такое.

Опрошенные РБК ученые оценили открытие новой частицы материи на Большом адронном коллайдере, о чем было объявлено днем 29 июля.

Как сообщалось, ученые представили первые наблюдения за новой частицей материи — дважды очарованным тетракварком. Эта частица состоит из двух очарованных кварков и двух антикварков. До этого считалось, что адроны могут состоять либо из кварка и антикварка, либо из трех кварков.

Старший научный сотрудник Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (ИТЭФ), кандидат физико-математических наук Иван Беляев, который принял участие в исследовании, сообщил РБК, что целью научной работы было понять, как устроен наш мир. «Безусловно, мы уже довольно много знаем об окружающем мире, о структуре материи, атомов, но когда мы проникаем еще глубже, то наше понимание постепенно меняется с количественного до полуколичественного и местами просто качественного», — сказал он.

По его словам, к примеру, ученые могут качественно сказать, как устроены протоны и нейтроны, из которых состоят ядра атомов, но количественно ответить на этот вопрос совершенно непросто. «С другой стороны, если мы копнем еще глубже, значительно глубже, то оказывается, что там происходит чудо, и на очень маленьких расстояниях, которые изучает физика высоких (и очень высоких) энергий, у нас появляется теория, которая позволяет довольно точно рассчитать все интересующие нас процессы и явления — квантовая хромодинамика (КХД), теория сильных взаимодействий. То есть физики начинают чувствовать себя весьма комфортно», — добавил ученый.

Тетракварк что это такое. Тетракварк что это такое фото. картинка Тетракварк что это такое. смотреть фото Тетракварк что это такое. смотреть картинку Тетракварк что это такое.

Вместе с тем он отметил, что на расстояниях от нескольких сотых радиуса протона до нескольких радиусов протона надежной теории и надежных методов расчетов нет. «Тут приходится полагаться на те или иные приближенные модели и на численные расчеты, называемые «вычисления на решетках». В таких случаях всегда работает принцип «доверяй, но проверяй». И проверка тех или иных предсказаний и расчетов является мощнейшим способом тестирования этих моделей и, соответственно, приближает нас к пониманию того, как работает КХД на этом масштабе расстояний, и, соответственно, к лучшему пониманию того, как именно устроен наш мир», — пояснил Беляев.

Как подчеркнул ученый, совершенно точно можно сказать, что благодаря этому исследованию сделан еще один шаг. «Большой ли то шаг или не очень, будет понятно нескоро. Но, как и любое открытие в науке, это не только вклад в науку как таковую, но и в общечеловеческую культуру», — считает он.

Говоря о том, что представляет собой тетракварк, Беляев сказал: «Это я и сам хотел бы знать». «То, что мы обнаружили, никак нельзя описать как «обычную» частицу. 57 лет назад появилась Кварковая модель, которая предложила описание всех адронов (частиц, которые участвуют в сильных взаимодействиях и к которым относятся, к примеру, протоны и нейтроны), базируясь на очень простых и элегантных принципах — все адроны представляют собой либо пары кварк — антикварк, либо тройки кварков», — сообщил он.

Ученый заметил, что эта схема прекрасно работала до 2003 года, когда внезапно была обнаружена загадочная частица, названная X (3872), которая очень плохо вписывалась в эту простую схему. «С 2003 года прошло уже много лет, мы многое знаем об этой частице, но мы до сих пор не понимаем, что именно эта частица из себя представляет. Потом необычные, или, как мы их называем, «экзотические», частицы посыпались, как из рога изобилия, и на сегодняшний день мы имеем примерно 25 частиц, которые не вписываются в эти рамки, четыре частицы, которые могут быть объяснены только как пентакварки, и около 20 частиц, которые более всего похожи на тетракварки. Тут ключевые слова — «более всего». Практически все из них с какими-то усилиями и не очень естественно имели и какое-либо другое, часто довольно вычурное и далеко не общепринятое, возможное объяснение», — рассказал Беляев.

Как отметил ученый, в этом вопросе важен сам факт, поскольку интерпретация этих экзотических состояний как тетракварков — не единственная. «И вот тут в игру вступает наша новая частица. И оказывается, что у нее, уникальной, нет никакой другой возможной интерпретации», — сказал он.

По его словам, большая часть других экзотических частиц содержит очарованный кварк и очарованный антикварк. «Мы же первый раз видим экзотическую частицу, в которой есть целых два очарованных кварка (с-кварка), — это на корню убивает практически все другие альтернативные интерпретации. То, что мы видим, — это тетракварк, состоящий из двух очарованных кварков: «нижнего» антикварка и «верхнего» антикварка», — пояснил Беляев.

Он подчеркнул, что удивительной также является масса новой частицы: она оказалась чрезвычайно близка к сумме масс двух других частиц — очарованных мезонов. «Такая близость вряд ли является случайной — для этого должна быть какая-то причина, нам сейчас совершенно неизвестная», — добавил ученый.

Еще более удивительным является время жизни данной частицы, заметил Беляев, так как она является Мафусаилом мира экзотических частиц. «Ее время жизни в 10–500 раз больше типичного времени жизни экзотических частиц.
И еще один момент: новая частица очень «рыхлая» — ее масса чуть-чуть больше массы ядра атома гелия, также известного как альфа-частица, а по размеру, как мы сейчас понимаем, она примерно соответствует ядру атома радия, который в 50 раз тяжелее. И это тоже довольно необычно и интригующе», — рассказал он.

Еще один участник исследования, кандидат физико-математических наук Иван Поляков сообщил РБК, что, по сути, непонятно, что из себя представляют открытые 25 частиц, о которых говорил Беляев, и это является проблемой. «Проблема имеет два конца. С одной стороны, несмотря на то что имеющаяся теория взаимодействий между кварками (КХД) замечательно описывает эффекты на очень малых расстояниях (достигаемых при очень больших энергиях). А на обычных расстояниях между кварками в адронах (сравнимых с размерами протонов) вычисления становятся невероятно сложными и неподъемными. В итоге приходится идти на некие ухищрения и упрощения, про которые неизвестно, насколько они правильно работают», — рассказал он.

С другой стороны, как отметил Поляков, про большинство открытых экзотических частиц нельзя с полной уверенностью сказать, реальны они или нет, так как существуют разные объяснения. «Или же их свойства измерить так сложно, что невозможно сказать, какая теоретическая модель лучше всего подходит», — добавил он.

По его мнению, в этом смысле новый тетракварк является настоящим подарком. «Во-первых, про него можно с полной уверенностью сказать, что он состоит из двух очарованных кварков (более тяжелых версий «обычных» кварков) и двух антикварков. И никак иначе. А во-вторых, нам так повезло, что он распадается в десятки или сотни раз медленнее всех остальных экзотических частиц, и отчасти поэтому мы смогли очень точно измерить его свойства», — сообщил Поляков.

По его словам, открытый тетракварк может оказаться своеобразной моделью внутриядерных взаимодействий. Оказалось, что масса этого тетракварка лишь чуть-чуть меньше суммы масс двух очарованных мезонов, поэтому исследователи могут представить, что он состоит из двух очарованных мезонов (частица с одним очарованным кварком), связанных друг с другом, — подобно тому, как протоны и нейтроны связаны между собой в ядрах, пояснил он.

Поляков добавил, что здесь вопрос заключается в том, существуют ли эти два очарованных мезона почти отдельно друг от друга или же их кварки тесно переплетены между собой, или что-то посередине. «Однако в случае очарованных тетракварков из-за того, что они более тяжелые, теоретические вычисления становятся немного более легкими и от того более надежными, поэтому есть надежда, что благодаря этой частице наконец удастся разобраться во многих до сих пор неразрешенных вопросах», — считает ученый.

Главный исследователь кластера ORIGINS (Мюнхен, Германия) Михаил Михасенко, который принимал участие в эксперименте, рассказал РБК, что ученым еще предстоит выяснить множество деталей об открытой частице, например, ее внутреннее строение. «В данный момент нет хорошего понимания размера нашего формирования и того, похожа ли она на составные атомы, как дейтрон или альфа-частица, или ближе по структуре к более простым частицам, как протон и нейтрон», — пояснил ученый.

Он отметил, что обнаруженная частица — не элементарная, как электрон, а имеет сложную внутреннюю структуру: чуть больше половины энергии заключено в массе составляющих компонент (четыре кварка), а оставшаяся часть хранится в энергии взаимодействия компонент.

«Наше открытие показывает, что TCC+ формирование сильно связанно и достаточно долгоживущее — 1e–20 секунды (1/100,000,000,000,000,000,000 секунды), что практически невероятно для микромира сильного взаимодействия», — подчеркнул Михасенко. По его словам, за последние 20 лет исследователи находили все больше доказательств существования экзотических формирований, и теперь у ученых появился «бесспорный экспериментальный факт», а также понимание того, в каком направлении продолжать исследования.

Директор НИИ ядерной физики МГУ им. Ломоносова, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Эдуард Боос, комментируя открытие новой частицы материи, сообщил РБК, что основные частицы, из которых построено вещество, — это ядра и окружающие их электронные оболочки. «Ядра построены из частиц — протонов и нейтронов. Они, в свою очередь, состоят из кварков u и d и глюонов, которые склеивают их в протоны и нейтроны. Помимо кварков u и d, которые называются также кварками первого поколения, существуют кварки второго и третьего поколения», — рассказал он.

По его словам, во вновь открытой частице уникально собрались вместе два очарованных кварка c и c. «Когда были кварки и антикварки, такие частицы уже были найдены — c и анти-c — и другие легкие кварки в составе. Они называются частицами со скрытым очарованием, скрытым чармом. Здесь впервые обнаружена частица мезон (четыре кварка) с двумя c-кварками. Это так называемая частица с открытым очарованием, очарование ничем не скомпенсировано, это дважды очарованный мезон. Заряд у него плюс, поэтому он обозначается буквой T — TCC+. Помимо двух c-кварков в его состав входят анти-u-кварк и анти-d-кварк. Даже факт наличия этого состояния в течение долгого времени подвергался теоретическим сомнениям. Это важно и интересно с теоретической точки зрения», — заявил Боос.

По мнению ученого, было необходимо узнать, существует такая частица или нет. Он подчеркнул, что ее достаточно трудно выделить, потому что ее масса находится вблизи порогов рождения других частиц. «Чтобы это выделение можно было сделать, состояние должно быть долгоживущим. И вот коллаборация LHCb достигла результата, выделила это состояние. Теперь это представляет интерес для дальнейшей работы теоретиков по интерпретации того, как это состояние более детально устроено внутри, как идут распады», — заметил он.

Боос добавил, что любая новая достаточно долгоживущая (детектируемая) частица — это расширение нашего познания о том, как устроен мир, а также о правильности представлений, лежащих в основе понимания. «А основа понимания, как устроен микромир, позволяет понять, что было во Вселенной в первые мгновения, как развивалась история, происходило образование Вселенной, биосинтез, образовывались связные состояния из кварков. Тем самым дойти до того, как образовались мы, все окружающее нас. Все вокруг образовано из нуклонов — сильно взаимодействующих частиц, составленных из кварков. Чем больше мы о них знаем, тем лучше понимаем, как происходили процессы во Вселенной», — заключил Боос.

Источник

Большой адронный коллайдер нашёл совершенно новую частицу — дважды очарованный тетракварк

В рамках проекта по изучению частиц на Большом адронном коллайдере учёным удалось обнаружить совершенно новую частицу — дважды очарованный тетракварк. Такое название частица получила из-за того, что она состоит из двух очарованных кварков и двух лёгких антикварков, верхнего и нижнего. Об открытии было объявлено на конференции Европейского физического общества, в проекте участвовали учёные Института ядерной физики имени Г.И. Будкера (Сибирское отделение РАН, Новосибирск).

Тетракварк что это такое. Тетракварк что это такое фото. картинка Тетракварк что это такое. смотреть фото Тетракварк что это такое. смотреть картинку Тетракварк что это такое.

Спектр продуктов распада тетракварка на мезоны, пик свидетельствует о регистрации частицы. Источник: desy.de

Изначально считалось, что адроны могут состоять либо из двух кварков, образуя мезон в паре кварк-антикварк, либо из трёх кварков, образуя барион (например, протон или нейтрон). Однако около 50 лет назад, когда кварковая модель ещё создавалась, её автор Марри Гелл-Манн (Murray Gell-Mann) предсказал, что могут существовать и более сложные частицы. Такие частицы не укладывались в традиционную модель, поэтому они получили название экзотических. Экзотические частицы появляются за счёт встраивания пары кварк-антикварк в структуру мезона либо бариона.

Данная гипотеза в течение долгого времени оставалась только теорией, пока в 2014 году в ходе эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере учёным не удалось пронаблюдать первый тетракварк. В 2015 году было объявлено об открытии пентакварка. Всего на текущий момент было открыто четыре пентакварка и около двадцати тетракварков.

Тетракварк что это такое. Тетракварк что это такое фото. картинка Тетракварк что это такое. смотреть фото Тетракварк что это такое. смотреть картинку Тетракварк что это такое.

Тетракварк рождается в протон-протонных столкновениях и последующем распаде на мезоны. Источник: desy.de

Ещё одним примечательным моментом является относительно узкая ширина распада новой частицы, она составляет примерно 0,5 МэВ при типичных значениях в десятки и даже сотни МэВ. Иными словами, Tcc + существует на порядки дольше схожих квантовых структур, что делает её самым стабильным экзотическим адроном. И, наконец, продукты распада нового тетракварка относительно легко детектировать, что с учётом высокой стабильности частицы облегчит точные измерения её свойств.

Источник

«Тетракварки — это Дикий Запад»

Что такое четырехароматный кварк и как его удалось обнаружить

Michael Kappel / Flickr

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. Какую роль 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.

Мы попросили участников из нашей коллаборации, которые не занимались этим анализом, повторить поиск объекта. Конечно, на данных тех же самых протон-антипротонных соударений, но их собственным методом. Они повторили, и все получилось точь-в-точь, то же пик, в том же месте, с теми же параметрами. Это нас сильно уверило в том, что это не экспериментальная ошибка или какое-то неправильное измерение, а что на самом деле в природе есть новая частица. Когда это понимание пришло, мы все очень обрадовались.

N+1: А как этот объект распадается?

N+1: А почему именно X(5568)?

Д. Д.: Поскольку никакой систематизации или классификации этих частиц нет, мы следуем рекомендациям из Particle Data Group, Беркли, которая систематизирует все частицы. В данном случае они рекомендуют называть эту частицу X и добавлять ее массу в скобках. Потом такие частицы часто переименовывают, если станет более понятен кварковый состав или действительно предложат какую-то общую классификацию этих тетракварков, но пока мы решили назвать ее так.

N+1: Я слышал, что есть вопросы, касающиеся его внутреннего строения — является ли он частицей из двух связанных мезонов, или все кварки внутри него равносвязанны? Как можно определить его строение?

Д. Д.: Для того, чтобы ответить правильно на этот вопрос, нужно развить теорию тетракварков – как кварки связываются, через пи-мезоны или через глюоны. Прежде чем опубликовать результаты, мы поговорили с физиками-теоретиками. Большинство из них сходится к тому, что скорее всего тетракварк представляет собой не два мезона, а жестко связанные четыре кварка.

Д. Д.: Здесь основным аргументом является энергия связи. Мы можем посмотреть на массу этого объекта и сравнить ее с массой объектов, на которые он распадается. Оказывается, что если бы это была «молекула» типа мезон+мезон, то обычно энергия связи этого объекта составляет единицы-десятки мегаэлектронвольт. В нашем случае, если просто посчитать разницу между массой X (5568) и массой объектов, на которые он распадается, окажется, что это больше 100 мегаэлектронвольт. То есть кварки связаны достаточно жестко — это не «рыхлая» молекула, в которой на больших расстояниях находятся два мезона.

N+1: Насколько мне известно, новые частицы открывают, собирая статистику столкновений других частиц — к примеру, пентакварк на LHC открыли изучая статистику столкновений протон-протон. Тэватрон же сталкивал протоны с антипротонами. А в чем разница между этими процессами? Могут ли увидеть этот тетракварк на LHC?

Д. Д.: Небольшая разница есть — в некотором смысле мы сталкиваем антикварки в антипротоне с кварками в протоне. Но для большинства процессов это не принципиально. Когда мы сталкиваем кварк и антикварк, как правило рождаются десятки и сотни частиц. То есть в самом столкновении мы рождаем огромное количество кварк-антикварковых пар различного типа, которые каким-то образом, если они оказались в пространстве близко друг к другу, объединяются в более сложные объекты.

Но когда мы рождаем дополнительные кварк-антикварковые пары из вакуума, просто за счет энергии взаимодействия, это не важно — было ли первоначальное столкновение кварк-кварк или кварк-антикварк. Пары все равно будут рождаться в большом количестве. На LHC их, конечно, будет рождаться больше, потому что энергия столкновения больше, и это хорошо. Но проблема LHC в том, что поскольку энергия больше, то и вторичных частиц, рождающихся в параллели к тетракварку, тоже, как правило, гораздо больше, что усложняет выделение тетракварков.

N+1: То есть начинает портиться соотношение сигнал-фон?

Д. Д.: Совершенно верно. Скорее всего, соотношение сигнал к фону для LHC не будет таким хорошим как на Тэватроне. Но, с другой стороны, статистика на LHC гораздо больше и она может позволить выделить эту частицу.

Конечно, после того, как мы опубликовали эту статью, мы поговорили с нашими коллегами из CMS и LHCb — экспериментами, также занимающимися этой тематикой. Они очень заинтересованы. Я знаю, что у них идут обсуждения о том, как это состояние увидеть, как его определить. Я думаю, ждать результатов LHC не так долго осталось.

Но не забывайте, что на Тэватроне было два эксперимента — кроме DZero был еще CDF. У этого эксперимента возможности по наблюдению этой частицы ничуть не хуже, чем у DZero, а может даже и лучше. Причина того, что они этот тетракварк не увидели, потому что открытие было случайным, а не предсказанным теоретиками.

Конечно, физики из CDF проанализируют свои данные на предмет существования этой частицы, уже зная, где искать. Я надеюсь, что в течение месяца-полугода-года другие коллаборации свое слово скажут. Ведь пока открытие не подтверждено оно остается под знаком вопроса.

N+1: А до какого количества кварков внутри одной частицы мы можем «разогнаться»? Условно говоря, чтобы открыть гексакварк, нужны бóльшие энергии столкновений? Какие есть фундаментальные проблемы, связанные с этим?

Д. Д.: Можно идти и дальше по числу — почему не десять, почему не пятнадцать, двадцать? Мы возвращаемся к первоначальному обсуждению того, что на сегодняшний день стройных моделей таких тяжелых объектов физики не создали. Но, конечно, чем больше объектов внутри частицы, тем сложнее ее теоретически описать. Из общих соображений: никаких фундаментальных причин, почему не может быть объектов с большим количеством кварков, видимо, не существует. Но в физике элементарных частиц есть такое правило. Если какая-то частица может распадаться на более легкие частицы, и этот распад не запрещен законами сохранения — заряда, импульса, квантовых чисел, то эта частица всегда распадется. Иногда она распадается настолько быстро, что не успевает даже образоваться, сформироваться.

Чем больше кварков, тем частица более тяжелая и тем больше у нее вероятности распасться быстро, не сформировавшись в реальную частицу. Поэтому мне кажется, что где-то должен быть предел. Вот например тетракварки и пентакварки — их все-таки «на пальцах» можно посчитать. Если это число кварков внутри частицы становится гораздо больше, то они теряют стабильность.

Возьмем пример атомных ядер — мы знаем, что где-то до 100-го атомного номера они могут быть образованы. Более тяжелые ядра не существуют. Я думаю, что в кварках что-то похожее. По аналогии с Периодической системой должен быть предел.

N+1: Нужны ли для этого более высокие энергии и более мощные ускорители?

Д. Д.: Наверное, нет. Как мы с вами обсуждали — пусть у нас будет пять кварков. Самая большая масса у стабильного кварка — b-кварка — 5 гигаэлектронвольт. Пять таких кварков это всего 25 ГэВ. На Тэватроне мы образуем W- и Z-бозоны с массами почти 100 ГэВ, t-кварк с массой почти 200 ГэВ. То есть энергии чтобы образовать такие объекты у нас достаточно. Я не думаю, что для того, чтобы такие объекты получить нам нужны гораздо более мощные ускорители.

Когда теория для многокварковых частиц будет построена, я не исключаю, что в тех данных, что уже набраны, такие объекты можно будет найти. Может в каких-то более экзотических модах распада, но тем не менее. Именно поэтому мы стараемся все наши данные сохранить на много лет.

N+1: Какие следующие планы DZero?

Д. Д.: Наша коллаборация очень активна – в 2015 году мы опубликовали около 20 статей. Мы делаем много интересных прецезионных измерений. У нас есть хорошо определенный план: осталось полтора-два десятка измерений, которые мы хотели бы закончить. К примеру, мы заканчиваем очень прецезионные измерения массы топ-кварка и W-бозона. Их массы очень важны даже для определения стабильности Вселенной — это фундаментальные константы в природе. У нас есть большие группы, которые пытаются независимо от LHC очень точно провести эти измерения. Тот факт, что мы сталкивали протоны и антипротоны, оказывается, на практике нам очень помогает для того чтобы провести высокоточные измерения.

Сейчас, в результате открытия тетракварка у нас заметно активизировалась работа по поиску других новых частиц. Как и всегда, какое-то новое наблюдение и новое открытие стимулирует физиков посмотреть глубже в те данные, которые есть. Это то, что в течение ближайшего года-двух мы будем делать.

N+1: А что сейчас с Тэватроном?

Д. Д.: Коллайдер сейчас закрыт, выключен. Кольцо находится под землей. Магниты все на месте и все в рабочем состоянии. Его можно включить, никто ничего не разбирал. Установка D0 (DZero) осталась практически без изменений и ее тоже можно включить. Но это, конечно, требует значительных расходов и ресурсов, поэтому для этого должны быть очень серьезные научные причины. На сегодняшний день мы превратили Тэватрон в музей, ежегодно к нам приходят тысячи людей. Студенты и школьники с удовольствием приходят, мы им рассказываем как был открыт топ-кварк, как были открыты здесь многие другие частицы.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *