Все, что вы видите вокруг, состоит из элементарных частиц — кварков и лептонов, которые могут объединяться с формированием более крупных частиц, таких как протоны или атомы. Но этим не ограничивается: эти субатомные частицы могут также соединяться экзотическим образом, какого мы никогда не видели. Коллаборация ЦЕРН LHCb объявила об открытии новых частиц, которые получили название «пентакварков». Результаты их работы могут помочь нам открыть множество загадок теории кварков, важнейшей части Стандартной модели.

На БАК нашли пентакварки: что это такое?

Кварки впервые были предложены для объяснения странностей новых частиц, обнаруженных в космических лучах и в ходе экспериментов на коллайдерах в середине 20 века. Этот растущий «зоопарк» по всей видимости фундаментальных частиц вызвал смятение в рядах физиков, которые обожают простоту и порядок — и очень не любят плодить основные принципы. Знаменитый итальянский физик Энрико Ферми подметил настроение коллег и сказал следующее: «Молодой человек, если бы я мог упомнить названия всех этих частиц, я был бы ботаником».

К счастью, в 1960-х годах американский физик Мюррей Гелл-Манн заметил в зоопарке частиц закономерности, подобные тем, которые подметил Дмитрий Менделеев, составляя периодическую таблицу химических элементов. Подобно тому, как периодическая таблица подразумевает существование вещей, которые меньше атомов, теория Гелл-Мана предполагала существование нового класса фундаментальных частиц. Физики частиц в конечном итоге смогли объяснить, что сотни частиц в зоопарке состоят из гораздо меньшего числа действительно фундаментальных частиц, называемых кварками.

Загадочные адроны

В Стандартной модели есть шесть типов кварков — нижний, верхний, странный, очарованный, красивый и истинный. У них также есть спутники в виде антиматерии — считается, что у каждой частицы есть версия из антиматерии, практически идентичная ей, но с противоположным зарядом. Кварки и антикварки объединяются с созданием частиц, известных как адроны.

Согласно модели Гелл-Манна, есть два широких класса адронов. Одна из частиц состоит из трех кварков — барионов (которые включают протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра) — и других частиц, состоящих из кварка и антикварка, то есть мезонов.

До недавних пор барионы и мезоны были единственными типами адронов, которые наблюдались экспериментально. Но в 1960-х годах Гелл-Манн также вывел возможность более экзотических комбинаций кварков, таких как тетракварки (два кварка и два антикварка) и пентакварков (четыре кварка и один антикварк).

В 2014 году LHCb, где проводится один из четырех гигантских экспериментов на Большому адронном коллайдере ЦЕРНа, опубликовал результаты, показывающие, что частица Z(4430)+ была тетракварком. Это породило поток интереса к новым экзотическим адронам. Затем, в 2015 году, LHCb анонсировал открытие первого в истории пентакварка, который прибавил совершенно новый класс частиц в семейство адронов.

Результаты, представленные LHCb сегодня, расширяются после того первого открытия пентакварков за счет обнаружения дополнительных таких частиц. Это стало возможно благодаря потоку новых данных, записанных во время второго запуска Большого адронного коллайдера. Лиминг Чжан, профессор Университета Цинхуа в Пекине и один из физиков, которые проводили измерения, говорит, что «сейчас у нас в десять раз больше данных, чем в 2015 году, что позволяет нам видеть более интересные и тонкие структуры, чем раньше». Когда Лиминг и его коллеги исследовали оригинальный пентакварк, обнаруженный в 2015 году, они были удивлены, узнав, что он разделился на две части. Изначальный пентакварк представлял собой две отдельные частицы-пентакварка, которые имели настолько похожие массы, что их приняли за одну частицу.

Но два пентакварка по цене одного — это еще не все интересные новости. LHCb также нашел третий пентакварк с массой поменьше, чем у первых двух. Все три пентакварка состоят из одного нижнего кварка, двух верхни, очарованного кварка и очарованного антикварка.

Большой вопрос заключается вот в чем: какова точная внутренняя структура этих пентакварков? Один из вариантов заключается в том, что они действительно состоят из пяти кварков, причем смешанных равномерно в одном адроне. Другая возможность в том, что пентакварки на самом деле представляют собой барион и мезон, которые слиплись воедино с образованием слабо связанной молекулы, подобно тому, как протоны и нейтроны связываются вместе внутри атомного ядра.

Томаш Скварницкий, профессор физики в Сиракузском университете в Нью-Йорке, который также работал над измерением, рассказал, что новое состояние обладает «массой, которая дает подсказки о внутренней структуре пентакварков». Наиболее вероятный вариант состоит в том, что эти пентакварки являются барион-мезонными молекулами, добавляет он. Чтобы быть абсолютно уверенными, физикам нужно будет провести дополнительные эксперименты, а также разработать теорию. Это значит, что история пентакварков еще далека от завершения.

Эти результаты завершают неделю невероятных объявлений LHCb, в числе которых открытие нового вида асимметрии материи и антиматерии. БАК пока не обнаружил никаких частиц, выходящих за рамки Стандартной модели, которые могли бы помочь объяснить загадки вроде темной материи, невидимой и неизвестной субстанции, составляющей большую часть материи во Вселенной.

Однако эти захватывающие измерения показывают, что многое еще предстоит узнать о частицах и силах Стандартной модели. Возможно, наш лучший шанс найти ответы на большие вопросы, стоящие перед фундаментальной физикой, заключается в более детальном изучении частиц, о которых мы уже знаем, а не в открытии новых. В любом случае, многое еще предстоит открыть.