Сразу две группы теоретиков независимо друг от друга предсказали существование экзотической частицы, состоящей из четырёх кварков, которая должна иметь относительно большое время жизни. Разными методами они пришли к одному и тому же выводу — частица, в состав которой входят два тяжёлых b-кварка и два лёгких антикварка, должна быть относительно стабильной. Такая частица вполне может быть открыта на Большом адронном коллайдере.
Кварки были впервые введены М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом в 1964 году как фундаментальные частицы, из которых состоят протоны, нейтроны и другие похожие частицы, называемые барионами. В состав всех барионов входит три кварка. Существуют ещё и мезоны, которые состоят из кварка и его античастицы — антикварка.
Физики рассматривали и более экзотичные варианты, когда частицы состоят из двух кварков и двух антикварков — это так называемые тетракварки, а также из четырёх кварков и одного антикварка — это пентакварки. Однако экспериментальное доказательство их существования появилось только недавно.
Один из первых кандидатов в тетракварки, получивший название X(3872), был открыт в 2003 году. Другой пример — кандидат в тетракварки X(5568), открытый в Фермилаб в 2016 году. Первый пентакварк и вовсе был открыт лишь в 2015 году.
Однако все эти частицы являются чрезвычайно нестабильными, и вообще говоря, невозможно отличить их от просто пары сильно взаимодействующих мезонов — в случае тетракварков — или бариона и мезона — в случае пентакварка. Поэтому физики продолжают искать мультикварковые частицы, которые обладали бы относительно большим временем жизни.
Тяжёлый и лёгкий
В двух свежих работах как раз и утверждается, что такие тетракварки существуют. Для этого они должны состоять из двух тяжёлых кварков, которые называются bottom или beauty кварками (сокращённо b-кварки), и двух самых лёгких антикварков — up (u-кварк) и down (d-кварк).
В первой из этих работ анализ проводится на основе экспериментальных данных об уже открытых тяжёлых частицах. В частности, используются данные о частице Ξcc⁺⁺ (кси-це-це-плюс-плюс), открытой в июле этого года и состоящей из двух c-кварков и одного u-кварка.
Ещё в 2014 году авторы работы предсказали существование этой частицы и указали, что её масса должна быть относительно небольшой из-за сильного взаимодействия между c-кварками. Предсказанное ими значение 3627±12 МэВ с высокой точностью совпало с экспериментальным — 3621±1 МэВ.
Это позволило авторам распространить свой анализ на систему, состоящую из двух b-кварков, и выдвинуть гипотезу, что тетракварк, содержащий два b-кварка, должен иметь массу 10 389±12 МэВ.
Высокая стабильность
Учёные обратили внимание, что это значение значительно ниже — почти на 215 МэВ — чем суммарная масса любой другой комбинации тех же кварков. А это значит, что такой тетракварк не может распасться под действием сильного ядерного взаимодействие, и поэтому будет существовать относительно долго — в миллиарды раз дольше, чем аналогичные по массе барионы или мезоны. Время его жизни должно составлять около 10¯¹³ c. Этого достаточно, чтобы тетракварк пролетел около 1 микрона — гигантское по ядерным меркам расстояние.
Во второй работе авторы пришли к тому же выводу, но другим путём. Они рассмотрели идеализированную ситуацию, когда два бесконечно тяжёлых кварка объединяются в двумя лёгкими антикварками, и показали, что получившаяся частица должна быть устойчивой относительно сильного ядерного взаимодействия.
В таком тетракварке лёгкие антикварки как бы вращаются вокруг тяжёлых кварков, образуя своеобразный аналог атома. Авторы также сравнивают такую частицу с ядром гелия — альфа-частицей, состоящей из двух протонов и двух нейтронов и являющейся чрезвычайно устойчивой конфигурацией.
Далее авторы делают переход от бесконечно тяжёлых кварков к b-кваркам, основываясь в отсутствии экспериментальных данных на тех же вычислениях, что и в первой работе. И также приходят к выводу о том, что тетракварк с двумя b-кварками должен быть стабилен.
Обнадёживащие выводы
Не так часто случается, чтобы две теоретические работы независимо разными методами пришли к одним и тем де выводам. Это всегда даёт дополнительную уверенность в том, что эти выводы верны. Свойства предсказанного тетракварка позволяют также надеяться, что он будет открыт в эксперименте LHCb на Большом адронном коллайдере после того, как эта машина повысит свою яркость в пять раз — такой апгрейд запланирован на 2021 год.
Сотрудники LHCb, правда, призывают быть осторожными с подобными прогнозами, поскольку оценить чувствительность детектора к предсказанному тетракварку довольно сложно. В то же время LHCb может получить в 2030-х годах ещё один апгрейд, который позволит наилучшим образом использовать увеличенную светимость коллайдера, и тем самым повысит вероятность обнаружения новых частиц. Нам же пока остаётся только ждать.
Источник: Physics World
Читайте также
Открыты две новые частицы, состоящие из кварков трёх разных поколений
Шесть причин следить за достижениями нейтринной физики
Открыто пятое фундаментальное взаимодействие?
Подписывайтесь также на мой телеграм-канал!