Когда речь заходит о Стандартной модели физики элементарных частиц, многие неправильно полагают, что она полностью изучена, верна и что нет открытых вопросов относительно её достоверности. Хотя Стандартная модель действительно выдержала все испытания, которым она подвергалась в ходе прямых экспериментов по обнаружению, остаётся ещё множество вопросов, на которые предстоит ответить. Несмотря на то, что материя, из которой мы состоим, образована атомами, включающими протоны, нейтроны и электроны, где протоны и нейтроны состоят из трёх кварков каждый — все они связаны глюонами через сильное взаимодействие — это не единственный возможный способ существования связанных состояний материи.
По крайней мере, в теории, согласно квантовой хромодинамике (нашей теории сильного ядерного взаимодействия), должно быть несколько способов создания связанного состояния из кварков, антикварков и/или только глюонов.
Можно иметь барионы (с тремя кварками каждый) или антибарионы (с тремя антикварками каждый). Можно иметь мезоны (с парой кварк-антикварк). Можно иметь 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 можно иметь состояния, состоящие только из глюонов — без валентных кварков или антикварков — известные как глюболлы.
В радикальной новой статье, только что опубликованной в журнале Physical Review Letters, коллаборация BES III объявила, что экзотическая частица, ранее идентифицированная как X(2370), может действительно быть самым лёгким глюболлом, предсказанным Стандартной моделью. Вот наука этого утверждения, а также его значение.
Если вы хотите найти частицу в мире физики высоких энергий, недостаточно просто создать эту частицу в лаборатории и построить вокруг неё детектор, рассматривая продукты распада и определяя, что произошло в точке создания этой частицы. Проблема этого подхода заключается в том, что в квантовой Вселенной редко бывает один определённый исход, который можно было бы предсказать на основе данного набора начальных условий. Вместо этого можно только предсказать вероятности широкого спектра ожидаемых исходов, а затем требуется множество повторных наблюдений, чтобы определить, соответствуют ли ваши теоретические предсказания тому, 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 испытывать, и частоту для каждого пути распада, которая также предсказывается: известна как её ветвящиеся отношения. Хотя мы обычно думаем о создании частицы, как о процессе, происходящем только если у вас достаточно энергии для её создания из энергии, по знаменитой формуле Эйнштейна E = mc², на самом деле многие составные частицы можно обнаружить только по подписям, оставленным при создании в большом количестве других известных частиц, которые затем распадаются.
В 20 веке различные части Стандартной модели сложились воедино. Мы узнали, что атомы состоят из ядер и электронов, а затем что сами атомные ядра состоят из ещё более мелких частиц: протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, делимы на кварки и глюоны. Вскоре было установлено, что кварков не только два типа — верхний и нижний — но и более тяжёлые, экзотические, короткоживущие типы.
Первая частица, содержащая странный кварк, каон, была обнаружена в 1947 году, но объяснение этому (включая существование странного кварка) было найдено только в 1964 году. Первое открытие чарм-кварка произошло в 1974 году, когда была обнаружена частица, известная как J/ψ, двумя независимыми командами: командой Сэмюэля Тинга в Брукхейвене (который назвал её "J" в честь себя, так как китайский символ для Ting — 丁) и командой Бертона Рихтера в SLAC (который назвал её "ψ" в соответствии с другими соглашениями в физике частиц). Дно кварк было обнаружено 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 тяжёлых, экзотических кварков (или антикварков), фундаментально нестабильны и должны не только распадаться, но и распадаться через слабые взаимодействия, чтобы изменить виды составляющих кварков внутри. Все частицы, содержащие странный, чарм, дно или верхний кварк, не могут оставаться стабильными долго; за доли секунды они распадаются и изменяют вид, переходя в более низкоэнергетические, более лёгкие, более стабильные частицы.
Также существуют правила, которые должны соблюдаться для существования любого составного частиц: полный набор квантовых правил, управляющих Вселенной.
Энергия должна сохраняться, что означает, что если вы хотите изначально создать частицу, у вас должно быть достаточно доступной энергии (через Эйнштейна E = mc²) для того, чтобы эта частица могла быть создана. Электрический заряд, угловой момент, линейный импульс и другие квантовые свойства также должны сохраняться: вы можете создавать только частицы (или пары частица-античастица), которые не нарушают эти законы сохранения. Правила о спине, или внутреннем угловом моменте этих частиц, должны соблюдаться, включая относительно путей распада родительских частиц в дочерние частицы. И если у вас есть какая-либо частица, содержащая кварк и глюон, которые являются единственными частицами, испытывающими сильное ядерное взаимодействие, вы можете создавать только «бесцветное» сочетание этих частиц, даже на мгновение, если хотите, чтобы они существовали.
Правила о сильном ядерном взаимодействии и цвете немного сложнее, чем теории с только одним типом заряда (положительным и притягивающим, как гравитация) или двумя типами заряда (положительным и отрицательным, где одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные заряды притягиваются, как в электромагнетизме), и включают три фундаментальных типа заряда — цветной заряд — которые все взаимосвязаны. Хотя у каждого кварка есть цвет, у каждого антикварка есть антицвет, и каждый глюон несет комбинацию цвет-антицвет, существующие связанные состояния должны быть действительно бесцветными.
Это оставляет нас, возможно, удивительно для некоторых, с огромным количеством возможных комбинаций для создания бесцветных связанных состояний.
Вы можете иметь комбинацию цвет-антицвет, например пару кварк-антикварк, чтобы сделать мезон. Вы можете иметь комбинацию цвет-цвет-цвет или антицвет-антицвет-антицвет, такую как три кварка или три антикварка, чтобы сделать барион или антибарион. Вы можете иметь несколько комбинаций любого из двух вышеуказанных вариантов, чтобы все равно сохранить бесцветное состояние; пока есть равное количество «цветных» и «антицветных» частиц, или если есть избыток одного типа над другим в кратных трех, вы можете иметь бесцветную сущность, включая тетракварки, пентакварки, гексакварки или большее количество кварков. Или вы можете иметь что-то, состоящее исключительно из глюонов — частиц, которые несут в себе комбинацию цвет-антицвет по своей сути — без кварков или антикварков, за исключением тех, которые возникают внутренне как последствие глюонного поля.
Эта последняя возможность редко обсуждается в физике частиц, потому что результирующая сущность — глюболл — не только никогда не обнаруживалась, но и расчет ожидаемых свойств глюболлов был слишком сложной задачей для физиков 20-го века.
Но в 21 веке мы можем проводить эти расчеты. Разница в том, что в 20 веке единственной надежной техникой, которую мы имели для расчета свойств квантовых систем, была пертурбативная: где вы постепенно рассчитываете всё более и более сложные термины взаимодействия, чтобы получить всё более и более точные ответы. Этот подход, который был так успешен для квантовой электродинамики (где сила взаимодействия уменьшается на больших расстояниях и имеет малую константу связи при низких энергиях), провалился для квантовой хромодинамики, поскольку сильное взаимодействие усиливается с увеличением расстояния, и его константа связи велика.
Однако с появлением высокопроизводительных вычислений появилась новая техника — решеточная КХД. Обрабатывая пространство-время как дискретную сетку с очень малым внутренним расстоянием, мы можем делать прогнозы для явлений большего масштаба: удержание связанных состояний КХД, условия, при которых должна возникать кварк-глюонная плазма, и даже прогноз для масс различных связанных состояний, включая не только протон и нейтрон, но и тяжелые и экзотические связанные состояния. Иными словами, в то время как в 1990-х годах мы не могли рассчитать полный набор ожидаемых свойств тетракварков, пентакварков и глюболлов, теперь это вычисления, которые мы можем выполнять — с точностью до нескольких процентов — здесь, в 2020-х годах.
Теоретически эти прогнозы теперь включают один для самого легкого глюболла: он должен быть псевдоскаляром, с полным спином 0, без электрического заряда, с нечетной четностью и с массой покоя от 2,3 до 2,6 ГэВ/с². Если вы хотите попытаться экспериментально создать это состояние глюболла, ваша лучшая ставка — создать составную частицу, масса которой немного больше этого значения, но чей распад производит много глюонов и адронов: идеальное место для поиска глюболлов. Благодаря современной технологии и тому, что она имеет именно эти свойства, распады частицы J/ψ обычно считаются отличным местом для поиска этих потенциальных состояний глюболла.
Когда создается частица J/ψ, существует примерно 26% шанс, что она распадется на фотон (который затем может распасться на частицы, содержащие кварки, или пары лептон-антилептон), около 64% шанс, что она распадется на три глюона, и около 9% шанс, что она распадется на фотон и два глюона. Хотя большинство распадов обыденны и хорошо понятны, небольшой вклад от самого легкого глюболла может внести свой вклад в некоторые из этих каналов распада. В частности, если частица J/ψ распадется на:
фотон,
частицу η′,
и пару каонов или пару пионов,
резонанс η′ с парой каонов/пионов может появиться в данных, если он соответствует самому легкому глюболлу.
Наибольшая «фабрика», когда-либо построенная для исследования частицы J/ψ, находится в Пекине на их электрон-позитронном коллайдере, известном как Пекинский спектрометр III (BES III), который начал собирать данные в своей современной форме в 2008 году. В свой первый год BES III накопил около 226 миллионов событий, в которых создавались частицы J/ψ, и к концу 2023 года это накопительное число теперь превышает 10 миллиардов частиц J/ψ. Следовательно, даже редкие события и резонансы, возникающие в результате этих распадов, теперь могут быть исследованы. Было открыто также несколько экзотических состояний: класс частиц, известных как мезоны XYZ, которые теперь известны тем, что включают экзотические состояния, такие как тетракварки.
В целом, с данными, собранными в BES III, они могут объявить окончательные доказательства существования новой составной частицы, известной как X(2370), с:
массой 2,395 ГэВ/с²,
спином 0,
долей ветвления примерно 0,000013 [означающей, что примерно 1 из каждых 76 000 частиц J/ψ распадется на что-то, включая X(2370)],
и которая появляется с кумулятивной статистической значимостью впечатляющих 11,7-σ.
В физике частиц результат, который появляется с значимостью более 5-σ, имеет всего 0,00006% шансов быть статистической случайностью, и любой результат, более значимый, чем это, превосходит «золотой стандарт» для объявления подлинного открытия.
Хотя частица впервые была объявлена как имеющая массу 2,370 ГэВ/с², поэтому её называют X(2370), последние экспериментальные результаты указывают на то, что её масса более точно составляет 2,395 ГэВ/с², с экспериментальной неопределенностью 0,011 ГэВ/с². Тем временем последние теоретические результаты из решеточной КХД, опубликованные в 2019 году, предсказывали массу 2,395 ± 0,014 ГэВ/с², что показывает впечатляющее согласие между экспериментом и теорией. Эта частица, X(2370), существует и её свойства измеряются лучше, чем когда-либо прежде, при этом последнее исследование стало первым, в котором измерены квантовые числа её спина и четности.
Хотя всё это согласуется с тем, что эта частица является первым когда-либо обнаруженным глюболлом, есть еще причины для осторожности. Во-первых, были обнаружены другие X-мезоны, которые являются лишь резонансами, вовлекающими комбинации кварков и антикварков, а не глюболлы. Кроме того, скорость производства X(2370), наблюдаемая при распадах J/ψ, немного слишком высока, чтобы быть согласующейся с интерпретацией глюболла, 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 только подтверждает согласие с интерпретацией глюболла: это не окончательное доказательство того, что это действительно глюболл.
Главный вопрос в центре этого исследования заключается в том, существуют ли глюболлы или нет, поскольку Стандартная модель и теория КХД предсказывают, что они должны, и достаточно ли наблюдений X(2370) для того, чтобы утверждать, что это состояние глюболла. Эти последние результаты — самые сильные и надежные в истории — поддерживают интерпретацию X(2370) как потенциального состояния глюболла и приближают нас на шаг ближе к тому, чтобы подвергнуть этот ключевой аспект Стандартной модели критическому испытанию. Однако, пока вопросы о его скорости производства и ветвящихся отношениях не будут достаточно решены, мы должны оставаться открытыми к тому факту, что это может быть просто еще одно «экзотическое» состояние, такое как тетракварк, которое не состоит исключительно из глюонов.
Тем не менее, с производством многих сотен тысяч частиц X(2370) в результате распада более 10 миллиардов частиц J/ψ, теперь мы твердо измерили больше свойств этой экзотической частицы, чем когда-либо прежде. Она теперь является самым убедительным, интересным кандидатом на глюболл: вид составной частицы, которая должна существовать, но которая никогда ранее не наблюдалась. Тем не менее, требуется еще работа, чтобы определить полную природу частицы X(2370), но это самое сильное доказательство существования глюболла, когда-либо представленное миру. Если во всей природе не существует глюболлов, то что-то новое не так со Стандартной моделью. Если глюболлы существуют, однако, X(2370) может быть первым, который был открыт человечеству.