Коллаборация LHCb (ЦЕРН, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН и Новосибирский государственный университет (НГУ), 26 марта на конференции Moriond QCD объявила, что в распадах b-бариона обнаружены три пентакварка — экзотические структуры, состоящие из пяти кварков. Эксперимент LHCb 2019 года уточнил результаты, полученные в 2015 году, и зарегистрировал не два пентакварка, как было заявлено ранее, а три.
Фото: Daniel Dominguez
Стандартная модель не только описывает мезоны (адроны из кварк-антикварковой пары) и барионы (адроны из трех кварков), но и допускает существование более сложных структур (тетракварки, пентакварки, глюболы и т. д.). Несмотря на то что многокварковые состояния не противоречат природе сильных взаимодействий, до 2003 года они экспериментально не наблюдались.
Первые указания на существование более сложных, чем мезоны и барионы, кварковых систем появились в 2003 году с обнаружением детектором Belle четырехкваркового состояния X(3872). В 2015 году в эксперименте LHCb были зарегистрированы сразу два пентакварка со скрытым чармом (частицы, содержащие систему с-кварка и анти-с-кварка). За прошедшее время была значительно улучшена точность эксперимента и повышено в девять раз количество анализируемой статистики, что позволило в 2019 году объявить об обнаружении уже трех пентакварков.
«Главный результат эксперимента 2019 года заключается в том, что одно состояние, обнаруженное в 2015 году, расщепилось на два, то есть надежно было установлено, что тот пик, который был зарегистрирован как один пентакварк, оказался двумя близкими по массе состояниями,— прокомментировал заместитель директора Института ядерной физики, декан физического факультета НГУ, участник коллаборации LHCb, член-корреспондент РАН Александр Бондарь.— Мы имеем два “расщепившихся” пентакварка с массами 4440 МэВ и 4457 МэВ и еще один пентакварк с массой 4,3 ГэВ, который в предыдущем эксперименте не выглядел статистически значимым».
Хотя пентакварки и называют иногда «экзотическими» состояниями, на самом деле они вполне ожидаемы в Стандартной модели. Термин «экзотический» скорее более применим к явлениям вне Стандартной модели.
«В физике высоких энергий принято верифицировать результаты в независимых экспериментах на других установках,— пояснил старший научный сотрудник Института ядерной физики, заведующий кафедрой физико-технической информатики физфака НГУ, сотрудник коллаборации LHCb, кандидат физико-математических наук Павел Кроковный.— Но в данном случае проблема в том, что b-барион рождается только на коллайдере LHC. Электрон-позитронный коллайдер SuperKEKb возобновил набор данных с детектором Belle II, но энергии коллайдера не хватит для рождения b — это технически невозможно. Другим экспериментам на LHC (ATLAS и CMS) не хватит точности определения массы, чтобы увидеть пентакварки в распадах b. Впрочем, полученные в 2019 году на LHCb результаты можно считать вполне надежными. Статистическая значимость обнаружения двух пентакварков, которые раньше выглядели как один, больше пяти стандартных отклонений».
О высокой надежности эксперимента 2019 года говорит то, что он не только подтвердил результаты 2015 года, но и с большей аккуратностью уточнил их. Дальнейшая задача ученых состоит в том, чтобы определить, основываясь на свойствах экспериментально наблюдающихся состояний, хотя бы качественную модель явления. Дело в том, что подобные эксперименты опережают понимание происходящего. Из-за вычислительных сложностей КХД не может предсказать не только основные параметры пентакварков, но даже должны ли они существовать или нет.
«Мы не можем предсказать, где будут обнаружены следующие пентакварки,— говорит Александр Бондарь,— мы можем пока лишь определить, с какой моделью лучше согласуется наблюдаемая в эксперименте картина.
Экспериментальные результаты стимулируют развитие новых методов, которые способны обеспечить прорыв в понимании многокварковых систем».
По словам Александра Бондаря, изучение новых многокварковых систем поможет расширить представления об универсальных свойствах и законах природы, о том, как устроена сильно взаимодействующая (ядерная) материя, возможно, будут получены дополнительные знания и об устройстве и эволюции звезд.
В коллаборации от России помимо Института ядерной физики и НГУ участвуют санкт-петербургский Институт ядерной физики, московский Институт теоретической и экспериментальной физики, Институт ядерной физики МГУ, Институт ядерных исследований, Школа анализа данных «Яндекса», НИТУ МИСИС, Высшая школа экономики, Институт физики высоких энергий, томский Политехнический университет.