5413-1 (Пентакварк, опять пентакварк?)

Пентакварк, опять пентакварк?

Николай Никитин, НИИЯФ МГУ

В последние месяцы среди экспериментальных групп развернулась настоящая "гонка престижа". После сообщения японской коллаборации LEPS об открытии первого пятикваркового состояния (эту новость уже несколько раз доступно пересказывали в русскоязычном секторе Интернет, например, в популярных заметках [1], [2] и [3]), многие экспериментальные группы принялись перепроверять свои данные на предмет обнаружения пентакварка или его собратьев по антидекуплету, существование которого было предсказано в теоретической работе [4]. В предисловии и следующем за ним переводе из международного журнала по физике высоких энергий "CERN Courier" рассказывается о последних экспериментальных открытиях на пути изучения пентакварков.

Из множества вопросов, которые возникают у людей, впервые заинтересовавшихся пентакварками, можно выделить три основных.

Первый: чем интересны пятикварковые состояния? Следует сразу подчеркнуть, что существование пентакварков не переворачивает современную картину мира и не противоречит принятой на сегодняшний день теории элементарных частиц -- так называемой Стандартной Модели (СМ), которая включает в себя калибровочную теорию электрослабых взаимодействий Глэшоу-Вайнберга-Салама и калибровочную теорию сильных взаимодействий -- Квантовую хромодинамику (КХД). Более того, предсказание существования антидекуплета пентакварков является прямым следствием приближенной SU(3)-симметрии сильных взаимодействий, которая возникает в КХД, если считать, что массы трех самых легких кварков u, d и s примерно одинаковы по сравнению с характерным адронным масштабом ~1 ГэВ.

Подобная SU(3) массовая симметрия является прямым обобщением SU(2) массовой симметрии сильных взаимодействий (изотопической симметрии), когда одинаковыми предполагаются только массы u- и d-кварков. Поскольку конституентные массы u- и d-кварков численно примерно равны между собой, а масса конституентного s-кварка больше примерно в три раза, то изотопическая симметрия в природе реализуется с гораздо большей точностью, чем массовая SU(3)-симметрия.

Стоит подчеркнуть, что обсуждаемую выше ПРИБЛИЖЕННУЮ SU(3)-симметрию сильных взаимодействий ни в коем случае нельзя путать с ТОЧНОЙ цветовой SU(3)-симметрией сильных взаимодействий. Хотя, с точки зрения математического аппарата теории групп, эти две симметрии задаются при помощи одинаковых математических преобразований, но, с точки зрения физики, их происхождение имеет совершенно различную природу. Поэтому разную природу и степень предсказательной точности имеют следствия существования этих двух SU(3)-симметрий сильных взаимодействий. Студентам-физикам старших курсов и читателям с высшим образованием, более подробно заинтересовавшимся данным вопросом, для изучения SU(3)-симметрий сильных взаимодействий "не отходя от компьютера" можно рекомендовать курс лекций [14].

Интерес ученых к пентакваркам можно сравнить с работой мастера-гончара, который уже вылепил кувшин для воды, а теперь добивается идеальной формы его стенок, горлышка и ручки. Ученые тоже имеют в своем распоряжении "кувшин для описания сильных взаимодействий" -- Квантовую хромодинамику, с момента создания которой прошло уже более 30 лет. КХД дает множество предсказаний, в том числе предсказание о возможности существования в природе состояний с четырьмя кварками и одним антикварком (именно такие состояния получили названия "пентакварк") и, например, абсолютной невозможности состояний с двумя кварками и одним антикварком. До недавнего времени ни те, ни другие состояния не наблюдались. В настоящее время "разрешенные" пентакварки, по всей видимости, наблюдаются в нескольких экспериментах, а принципиально невозможные с точки зрения КХД двукварково-одноантикварковые состояния по-прежнему не открыты.

Таким образом, наблюдение пентакварков позволило ученым дополнительно подтвердить правильность КХД и получить новые данные для более детального исследования сильных взаимодействий, иными словами довести до совершенства "ручку" "кувшина", ведь именно совершенство отличает высокохудожественное творение настоящего мастера-физика от грубой поделки ремесленника-одержимца.

Второй вопрос: в каких еще экспериментах, помимо японского эксперимента LEPS, зафиксированы сигналы от ? Ниже приводится таблица с перечнем экспериментов, которые заявили о наблюдении , каналов, в которых эти наблюдения были выполнены, и найденых характеристик -частицы. В Таблице 1 требуют пояснения некоторые обозначения: A -- ядро (применяется для тех эксперимнтов, в которых рождение пентакварка исследовалось в однотипных реакциях на нескольких ядрах), X -- все возможные другие частицы (применяется для обозначения несущественных частиц в инклюзивных реакциях), d -- дейтон, -- короткоживущая компонента -мезона.

Из таблицы хорошо видно, что имеется существенный разброс в массах пентакварка и в его ширинах. Однако, во многих случаях измерение ширины лимитировалось разрешающей способностью аппаратуры.

Третий: почему ученые уверены, что они видят именно пятикварковые образования, ведь кварки спрятаны внутри адронов и их число не поддается прямому определению? Прежде всего отмечу, что несмотря на бравурный тон статей, особенно в научно-популярной периодической литературе и СМИ, ученые пока совсем не уверены, что пентакварки обнаружены. И, как ни странно, эта неуверенность крепнет с каждым новым экспериментом, сообщающем об обнаружении очередного кандидата в пентакварки.

Какие рассуждения привели физиков-экспериментаторов к мысли, что есть пентакварк? Частица наблюдалась в двух модах распада: и . Барионные заряды протона и нейтрона равны единице, а каонов -- нулю; суммарный барионный заряд конечной системы в обеих реакциях равен единице. Если бы распад шел с нарушением барионного заряда, то при существующей статистике эксперимента LEPS и его последователей подобный распад было бы невозможно наблюдать (существуют чрезвычайно жесткие экспериментальные ограничения на вероятность нарушения барионного заряда, связанные, в основном, с измерением времени жизни протона на японских установках KamiokaNDE и SuperKamiokaNDE). Поскольку распады наблюдаются, то естественно предположить, что в данном случае барионный заряд сохраняется, то есть его величина для равна единице.

Странность состояния измерялась в распаде . Если предположить, что распад идет за счет сильного взаимодействия (характеристики распада указывает именно на эту возможность), то странность также сохраняется. Поскольку странность -мезона равна +1, то и странность тоже должна быть равна +1, то есть частица должна содержать хотя бы один странный антикварк. Таким образом, -- это частица с барионным зарядом +1, но содержащая хотя бы один антикварк. Минимальным подобным состоянием может быть состояние, содержащее четыре кварка и странный антикварк, что соответствует теоретическим предсказаниям группы Д.Дьяконова [4].

Масса и полная ширина состояния также хорошо согласуются с предсказаниями группы Дьяконова, так что наиболее естественным предположением является гипотеза, что состояние есть пентакварк с положительной странностью из антидекуплета легчайших пентакварков. Его ожидаемый кварковый состав . Однако, необходимо подчеркнуть еще раз, что до абсолютно бесспорных суждений относительно природы очень далеко. Плохо стыкующиеся друг с другом данные из Таблицы 1 - лучшее этому подтверждение.

Необходимо обратить внимание сетевых читателей на одну тонкость: невозможно ПРЯМО измерить странность пентакварка по распаду , поскольку основной модой, по которой экспериментально обнаруживается -мезон, является распад , идущий за счет слабого взаимодействия и, следовательно, нарушающий странность.

Н.Никитин

Новые пятикварковые состояния найдены в CERNе