Глюболы — это необычное, неподтвержденное предсказание Стандартной модели, предполагающее, что существуют связанные состояния только глюонов. Только что найден первый глюбол, радостно сообщает астрофизик, страстный научный пропагандист Итан Сигел.
КЛЮЧЕВЫЕ ВЫВОДЫ
- На фундаментальном уровне известная нам материя в основном состоит из кварков, таких как верхние и нижние кварки, которые составляют протоны и нейтроны: частицы, составляющие сердцевину каждого атома.
- Кварки и глюоны, действующие под действием сильного взаимодействия и правил квантовой хромодинамики, составляют все известные существующие адроны, барионы и мезоны, предоставляя нам огромный спектр состояний частиц.
- Но теоретически должен существовать другой тип связанного состояния, никогда ранее не наблюдавшийся: глюболы, представляющие собой безкварковые составные частицы, состоящие только из связанных глюонов. Наконец, в 2024 году мы, возможно, найдем нашего первого.
Когда дело доходит до Стандартной модели физики элементарных частиц, большинство людей ошибочно полагают, что она известна, верна и что больше нет открытых вопросов относительно ее достоверности. Хотя Стандартная модель, безусловно, выдержала все испытания, брошенные ей в ходе экспериментов по прямому обнаружению, существует ещё множество вопросов, на которые еще предстоит ответить. Хотя материя, из которой мы состоим, состоит из атомов, которые состоят из протонов, нейтронов и электронов, а протоны и нейтроны состоят из трех кварков каждый — все они удерживаются вместе глюонами посредством сильного взаимодействия — это не так. единственный возможный способ иметь связанные состояния материи.
Теоретически, по крайней мере, согласно квантовой хромодинамике (нашей теории сильного ядерного взаимодействия), должно существовать множество способов создания связанного состояния только из кварков, антикварков и/или глюонов.
- У вас могут быть барионы (по 3 кварка в каждом) или антибарионы (по 3 антикварка в каждом).
- Могут быть мезоны (с парой кварк-антикварк).
- У вас могут быть экзотические состояния, такие как тетракварки (2 кварка и 2 антикварка), пентакварки (4 кварка и 1 антикварк или 1 кварк и 4 антикварка) или гексакварки (6 кварков, 3 кварка и 3 антикварка или 6 антикварков) и т. д.
- Или у вас также могут быть состояния, состоящие только из глюонов — без валентных кварков или антикварков — известные как глюболы.
В радикально новой статье, только что опубликованной в журнале Physical Review Letters, коллаборация BES III только что объявила, что экзотическая частица, ранее идентифицированная как X(2370), действительно может быть самым легким глюболом, предсказанным Стандартной моделью. Вот наука этого утверждения, а также то, что все это означает.
Если вы хотите найти частицу в мире физики высоких энергий, недостаточно просто создать эту частицу в лаборатории и построить вокруг нее детектор, наблюдая за продуктами распада и определяя, что произошло в момент этого распада. создание частицы. Проблема с этим подходом заключается в том, что в квантовой Вселенной редко существует один окончательный результат, который можно предсказать на основе набора заданных начальных условий. Вместо этого вы можете только предсказать вероятности широкого спектра ожидаемых результатов, а затем вам потребуется множество повторных наблюдений, чтобы определить, согласуются ли ваши теоретические предсказания с тем, что вы наблюдаете, или противоречат им.
Это становится особенно важным, когда вы ищете что-то, что должно существовать или происходить в рамках Стандартной модели, но только при редких, возможно, особых условиях или обстоятельствах. Каждая нестабильная частица — как фундаментальная, так и составная — имеет набор распадов, которые ей разрешено испытать, а также частоту каждого пути распада, которая также предсказана: известную как коэффициенты ветвления. Хотя мы обычно думаем, что создание частиц происходит только в том случае, если у вас достаточно энергии, чтобы создать их из энергии, согласно знаменитому закону Эйнштейна E = mc², реальность такова, что многие составные частицы могут быть обнаружены только по сигнатурам, остающимся, когда другие известные частицы создаются в больших количествах, а затем распадаются.
В течение 20-го века различные части Стандартной модели объединились. Мы обнаружили, что атомы состоят из ядер и электронов, а затем, что сами атомные ядра состоят из еще более мелких частиц: протонов и нейтронов, которые далее делятся на кварки и глюоны. Вскоре было установлено, что существуют не только два типа кварков — с верхним и нижним ароматом, — но также и более тяжелые, экзотические и короткоживущие типы.
- Первая частица, содержащая странный кварк, каон, была открыта в 1947 году, но объяснение ей (включая существование странного кварка) было найдено только в 1964 году.
- Первое открытие очаровательного кварка произошло в 1974 году, когда частица, известная как J/ψ, была открыта двумя независимыми группами: командой Сэмюэля Тинга из Брукхейвена (который назвал ее «J» в честь себя, поскольку китайский иероглиф Тинга —丁) и командой Бертона Рихтера из SLAC (которая назвала его «ψ» в соответствии с другими соглашениями в физике элементарных частиц).
- Нижний кварк был открыт вскоре после этого, в 1977 году, а шестой и последний кварк, предсказанный Стандартной моделью, верхний кварк, был обнаружен в 1995 году.
Все частицы, состоящие из любого из этих более тяжелых экзотических кварков (или антикварков), фундаментально нестабильны и должны не только распадаться, но и распадаться в результате слабых взаимодействий, чтобы изменить вид составляющих их кварков внутри. Все частицы, содержащие странный, очаровательный, нижний или верхний кварк, не могут долго оставаться стабильными; за крошечную долю секунды они распадаются и меняют вид, превращаясь при этом обратно в более легкие и стабильные частицы с более низкой энергией.
Существуют также правила, которым необходимо следовать, чтобы существовала любая сложная частица: полный набор квантовых правил, управляющих Вселенной.
- Энергия должна сохраняться, а это означает, что если вы хотите изначально создать частицу, у вас должно быть достаточно доступной энергии (согласно закону Эйнштейна E = mc² ), чтобы эта частица могла быть создана.
- Электрический заряд, угловой момент, линейный момент и другие квантовые свойства также должны сохраняться: вы можете создавать только частицы (или пары частица-античастица), которые не нарушают эти законы сохранения.
- Необходимо соблюдать правила, касающиеся спина или собственного углового момента этих частиц, в том числе в отношении путей распада родительских частиц на дочерние частицы.
- И если у вас есть какая-либо сущность, содержащая кварки и глюоны, которые являются единственными частицами, которые испытывают сильное ядерное взаимодействие, вы можете создать только «бесцветную» комбинацию этих частиц, даже на мгновение, если вы хотите, чтобы они существовали.
Правила сильного ядерного взаимодействия и цвета немного сложнее, чем теории с одним типом заряда (положительным и притягивающим, как гравитация) или двумя типами заряда (положительным и отрицательным, где одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные заряды притягиваются). как электромагнетизм), и включают три фундаментальных типа заряда — цветной заряд, — которые все взаимосвязаны. Хотя каждый кварк имеет цвет, каждый антикварк имеет антицвет, а каждый глюон несет в себе комбинацию цвета и антицвета, все существующие связанные состояния должны быть действительно бесцветными.
Это оставляет нам, возможно, к удивлению некоторых, огромное количество возможных комбинаций для создания бесцветных связанных состояний.
- У вас может быть комбинация цвет-антицвет, например, пара кварк-антикварк, чтобы образовать мезон.
- У вас может быть комбинация цвет-цвет-цвет или антицвет-антицвет-антицвет, например, три кварка или три антикварка, чтобы получить либо барион, либо антибарион.
- Вы можете использовать несколько комбинаций любого из двух вышеперечисленных параметров или обоих, чтобы сохранить бесцветное состояние; до тех пор, пока существует равное количество «цветных» и «антицветных» частиц или если один тип превышает другой, кратный трем, вы можете иметь бесцветную сущность, включая тетракварки, пентакварки, гексакварки или большее их количество. кварков.
- Или у вас может быть что-то, состоящее исключительно из глюонов — частиц, которые по своей сути несут комбинацию цвета и антицвета — вообще без кварков или антикварков, за исключением тех, которые возникают внутри как следствие глюонного поля.
Последняя возможность редко обсуждается в физике элементарных частиц, потому что получившийся объект — глюбол — не только никогда не был обнаружен, но и вычисление ожидаемых свойств глюболов было слишком сложной задачей для физиков 20-го века.
Но здесь, в 21 веке, мы можем сделать такие расчеты. Разница в том, что в 20-м веке единственным надежным методом расчета свойств квантовых систем был пертурбативный метод: вы вычисляли постепенно все более и более сложные условия взаимодействия, чтобы получать все более и более точные ответы. Этот подход, который был настолько успешным для квантовой электродинамики (где сила взаимодействия уменьшается на больших расстояниях и имеет малую константу связи при низких энергиях), совершенно не работает для квантовой хромодинамики, поскольку сильное взаимодействие увеличивается с увеличением расстояний и его константы связи. большой.
ГЛАВНЫЕ НОВОСТИ
Однако с появлением высокопроизводительных вычислений появился новый метод: метод решетчатой КХД. Рассматривая пространство-время как дискретную сетку с очень маленьким внутренним интервалом, мы можем делать предсказания для более масштабных явлений: ограничения связанных состояний КХД, условий, при которых должна возникнуть кварк-глюонная плазма, и даже предсказания масс различных связанных состояний, включая не только протон и нейтрон, но также тяжелые и экзотические связанные состояния. Другими словами, хотя мы не могли рассчитать полный набор ожидаемых свойств тетракварков, пентакварков и глюболов еще в 1990-х годах, эти расчеты мы можем выполнить — с точностью до нескольких процентов — здесь, в 2020-х годах.
Теоретически эти предсказания теперь включают одно для самого легкого состояния глюбола: оно должно быть псевдоскалярным, с полным спином 0, без электрического заряда, с нечетной четностью и массой покоя от 2,3 до 2,6 ГэВ/с². Если вы хотите попытаться создать это состояние глюбола экспериментально, лучше всего создать составную частицу, масса которой немного превышает это значение, но при распаде которой образуется много глюонов и адронов: идеальное место для поиска глюболов. Из-за того, насколько легко его получить с помощью современных технологий, а также из-за того, что он обладает именно этими свойствами, распад частицы J/ψ обычно считается отличным местом для поиска этих потенциальных состояний глюбола.
Всякий раз, когда создается частица J/ψ, существует примерно 26% вероятность того, что она распадется на фотон (который затем может распасться либо на кварк-содержащие частицы, либо на пары лептон-антилептон), примерно 64% вероятность того, что она распадется на три глюоны, и с вероятностью около 9% он распадется на фотон и два глюона. Несмотря на то, что большинство распадов являются обыденными и хорошо изученными, небольшой вклад легчайшего глюбола может внести свой вклад в некоторые из этих каналов распада. В частности, если частица J/ψ распадается на:
- фотон,
- и либо пара каонов, либо пара пионов,
резонанс η' с парой каон/пион мог бы появиться в данных, если бы он соответствовал легчайшему состоянию глюбола.
Самая большая «фабрика», когда-либо построенная для исследования частиц J/ψ, расположена в Пекине на электрон-позитронном коллайдере, известном как Пекинский спектрометр III ( BES III ), который начал принимать данные в его современной форме в 2008 году. Только за год BES III накопила около 226 миллионов событий, которые создали частицы J/ψ, и по состоянию на конец 2023 года это совокупное число теперь превышает 10 миллиардов частиц J/ψ. Поэтому теперь можно исследовать даже редкие события и резонансы, возникающие в результате этих распадов. Также было обнаружено несколько экзотических состояний: класс частиц, известный как XYZ-мезоны, которые, как теперь известно, включают экзотические состояния, такие как тетракварки.
В общем, данные, собранные на BES III, могут объявить об окончательных доказательствах существования новой составной частицы, известной как X(2370), с:
- масса 2,395 ГэВ/с²,
- вращение 0,
- доля ветвления составляет примерно 0,000013 [это означает, что примерно 1 из каждых 76 000 частиц J/ψ распадется на что-то, что включает X (2370)],
- и это проявляется с совокупной статистической значимостью колоссальных 11,7-σ.
В физике элементарных частиц результат, имеющий значимость более 5-σ, имеет лишь 0,00006% шанс быть статистической случайностью, а любой результат, более значимый, чем этот, превосходит «золотой стандарт» для объявления о добросовестном открытии.
Хотя сначала было объявлено, что частица имеет энергию 2,370 ГэВ/с², поэтому она известна как X(2370), последние экспериментальные результаты показывают, что её масса точнее равна 2,395 ГэВ/с² с экспериментальной погрешностью 0,011 ГэВ/с². c², прикрепленный к нему. Между тем, последние теоретические результаты решеточной КХД, опубликованные в 2019 году, предсказывают массу 2,395 ± 0,014 ГэВ/с², что показывает впечатляющее согласие между экспериментом и теорией. Эта частица, X(2370), существует, и ее свойства измеряются лучше, чем когда-либо прежде, причем это последнее исследование является первым, в котором были измерены квантовые числа ее спина и четности.
Хотя все это соответствует тому, что эта частица является первым когда-либо обнаруженным глюболом, все же есть причины для осторожности. Во-первых, были открыты другие Х-мезоны, которые представляют собой простые резонансы, включающие комбинации кварков и антикварков, а не глюболов. С другой стороны, скорость образования X(2370), наблюдаемая при распаде J/ψ, слишком высока, чтобы соответствовать интерпретации глюбола, хотя эта интерпретация все еще пересматривается. И, наконец, отрицательная четность, измеренная для X(2370), согласуется с тем, что это псевдоскаляр, а не скаляр, но это лишь устанавливает согласованность с интерпретацией глюбола: это не явный сигнал о том, что это действительно глюбол по своей природе.
Большой вопрос, лежащий в основе этого исследования, заключается в том, существуют ли глюболы или нет, как предсказывают Стандартная модель и теория КХД, и достаточны ли наблюдения X (2370), чтобы установить его как состояние глюбола. Эти последние результаты — самые сильные и надежные в истории — подтверждают интерпретацию X(2370) как потенциального состояния глюбола и приближают нас на один шаг к критической проверке этого ключевого аспекта Стандартной модели. Однако до тех пор, пока не будут получены исчерпывающие ответы на вопросы о скорости его образования и коэффициентах ветвления, мы должны оставаться открытыми к тому факту, что это может быть просто еще одно «экзотическое» состояние, такое как тетракварк, которое состоит не только из глюонов.
Тем не менее, с появлением многих сотен тысяч частиц X(2370) в результате распада более 10 миллиардов частиц J/ψ, мы теперь достоверно измерили больше свойств, чем когда-либо, этой экзотической частицы. Сейчас это наиболее убедительный и интересный кандидат на роль глюбола: разновидность составной частицы, которая должна существовать, но никогда раньше не наблюдалась. Еще предстоит проделать дополнительную работу, чтобы определить полную природу частицы X(2370), но это самое убедительное доказательство существования глюбола, когда-либо созданного в мире. Если в природе не существует глюболов, то со Стандартной моделью что-то не так. Однако, если глюболы действительно существуют, X(2370), возможно, будет первым, открытым человечеству.
Машинный перевод с английского.
Буду несказанно благодарен если, зайдя однажды, останетесь с каналом навсегда.
Желающие поддержать канал, в ЧЕТВЁРТЫЙ раз поднимающийся из дзеновских руин, могут присылать донаты.
Номер карты Сбербанка — 2202 2068 8896 0247 (Александр Васильевич Ж.). Пожалуйста, сопроводите перевод сообщением: «Для Каморки».