Физики впервые поймали неизвестную субатомную частицу из четырёх кварков

Детектор эксперимента BESIII в Китае

(фото IHEP).

В ходе эксперимента учёные заметили необычное возмущение

(иллюстрация IHEP).

(иллюстрация L. Piilonen/Belle Collaboration).

Ранее физики полагали, что частица не может содержать более трёх кварков

(иллюстрация Alan Stonebraker/APS).

Таблица отношений элементарных частиц

(иллюстрация Headbomb/Wikipedia).

Детектор эксперимента Belle в Японии, при помощи которого была зафиксирована новая частица

(фото 03/Wikimedia Commons).

Согласно теории Стандартной модели, описывающей фундаментальные взаимодействия субатомных частиц, каждый протон и нейтрон (составляющие ядра атома) состоит из элементарных частиц, называемых кварками. Кварки являются "переносчиками" сильного взаимодействия, самого необычного из всех четырёх видов: чем больше они отдаляются друг от друга, тем сильнее притягиваются.

За это свойство отвечают ещё одни частицы-переносчики взаимодействий, которые называются глюоны (от английского glue — "клей"). Они выполняют почти ту же функцию, что и фотоны, которые являются переносчиками электромагнитного взаимодействия.

Долгое время считалось, что протон — частица неделимая, ведь никому не удавалось разложить её на более мелкие составляющие. Но в 1968 году учёным всё же удалось разглядеть "анатомию" адронов, отвечающих за сильное взаимодействие.

Таблица отношений элементарных частиц (иллюстрация Headbomb/Wikipedia).

Науке известно всего шесть видов кварков, а также ещё шесть антикварков. Они получили довольно необычные названия: верхний (u, от английского "up"), нижний (d, down), очарованный (с, charmed), странный (s, strange), истинный (t, truth) и прелестный (b, beauty).

Ранее экспериментально было подтверждено существование частиц, состоящих максимум из трёх кварков — всем известные протоны и нейтроны. Также учёные знали о мезонах, состоящих из двух кварков, а точнее из пары кварк-антикварк. Но обнаружить более трёх кварков, составляющих одну частицу, до сих пор не удавалось.

Удивительное открытие совершили сразу две независимые группы исследователей: одна команда проводила эксперимент Belle в японской Организации по изучению высокоэнергетических ускорителей (KEK), а другая совершила открытие в рамках эксперимента BESIII Института физики высоких энергий (IHEP) в Китае.

Обе команды занимались исследованием Y(4260)  — частицы, обнаруженной учёными из Стэнфордского университета в 2005 году. Она представляет особый интерес для физиков, поскольку не вписывается в кварковую модель.

В ходе эксперимента учёные сталкивали друг с другом электроны и позитроны (их античастицы), чтобы получить достаточное количество Y(4260). Одной для полноценного изучения было бы недостаточно: у этих частиц крайне короткая "жизнь" — всего 10-23 секунды. Внезапно физики заметили необычное возмущение в 3,9 гигаэлектронвольта (ГэВ), а эта энергия в четыре раза превышает массу протона. (Физики оперируют массами и энергиями наравне, так как они связаны через уравнение E=mc2.)

Появление частицы Z(3900) в ходе распада частицы Y(4260) (иллюстрация L. Piilonen/Belle Collaboration).

"Мы крайне удивились этому пику, но решили дальше изучать распад частиц Y(4260). И, как оказалось, не прогадали", — рассказывает Чжицин Лю (Zhiqing Liu), автор статьи об этом открытии, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Данных оказалось вполне достаточно, чтобы объявить об открытии новой частицы, которая получила название Z(3900).

В ходе эксперимента учёные заметили необычное возмущение (иллюстрация IHEP).

"Учёные пытались изучить свойства одной необычной частицы, когда вдруг обнаружили совершенно новую, ещё более удивительную", — говорит физик Эрик Суонсон (Eric S. Swanson) из университета Питтсбурга, который не принимал участия в исследованиях.

Но исследователи пока не могут быть до конца уверенными в том, что это действительно одна частица, состоящая из четырёх кварков, и являющаяся частью новой формы материи. Поясним.

Во-первых, считалось, что частица Y(4260) состоит из двух кварков и дополнительного глюона, однако подтверждений этому пока не найдено. То есть сама исходная частица пока изучена плохо.

С другой стороны, в ходе эксперимента исследователи получили более 460 частиц Z(3900). Это является прямым доказательством того, что она действительно существует, а не является следствием каких-либо помех.

Судя по всему, эта частица обладает зарядом и содержит, как минимум, пару из очарованного кварка и его античастицы. Скорее всего, другие два кварка — это верхний и нижний антикварк. Всего их четыре.

"Мы никогда не видели ничего подобного. Ранее учёные могли только подозревать о существовании частицы из четырёх кварков, а эксперименты Belle и BESIII подтвердили её существование", — говорит Суонсон.

Ранее физики полагали, что частица не может содержать более трёх кварков (иллюстрация Alan Stonebraker/APS).

И всё же, у этого явления может быть несколько различных объяснений. Z(3900) может оказаться всего лишь парой двухкварковых частиц, которые взаимодействуют друг с другом так сильно, что проявляют свойства одной частицы из четырёх кварков. Такого "монстра" уже описывали теоретики. Его никогда не ловили, но дали название — "адронная молекула".

"Честно говоря, мне бы хотелось, чтобы Z(3900) оказалась адронной молекулой. Но она может представлять собой что угодно", — признаётся Лю.

Суонсон же считает, что у необычного явления может быть вполне прозаичное объяснение: Z(3900) может состоять всего из двух кварков, но взаимодействующих не слишком сильно, чтобы соединиться друг с другом.

В дальнейшем обе группы исследователей планируют создать множество частиц Z(3900), чтобы проследить за их распадом. Если окажется, что они распадаются так же, как и уже известные частицы, то все интересные версии о природе Z(3900) отпадут. Но, если физики заметят что-то необычное, то это будет очень громким открытием. Отчасти его можно будет сравнить с открытием нашумевшего бозона Хиггса.

"Мы надеемся начать проводить дальнейшие эксперименты уже в следующем году", — сообщил Лю в пресс-релизе.

Также по теме:
На Большом адронном коллайдере, возможно, получен новый тип материи 
Учёные обнаружили ранее неизвестную науке частицу 
Физики подтвердили, что в ЦЕРНе был открыт именно бозон Хиггса 
Учёные подтвердили, что размер протона меньше, чем считалось раньше