5413-1 (Пентакварк, опять пентакварк?), страница 2

Прошло всего несколько месяцев после вспышки энтузиазма, вызванной почти одновременным наблюдением сразу в нескольких экспериментах новой частицы, состоящей из пяти кварков, -- а уже приходят сообщения о наблюдении других пятикварковых состояний, родственных первому.

Рис.1: Гипотетический барионный антидекуплет пентакварков. Эти состояния образуют треугольник. Возможно, что в настоящее время открыты три состояния, лежащие на сторонах этого треугольника (обведены кружками).

Предложенная в 1960-х годах кварковая модель оказалась весьма удачной для описания известных барионов как связанных состояний трех кварков. Однако, Квантовая хромодинамика не запрещает существование барионов, содержащих и более трех "кирпичиков". Поиски таких многокварковых состояний велись много лет, но до недавнего времени экспериментально не было обнаружено ни одного приемлемого кандидата. Новый импульс поискам придали теоретические работы Дмитрия Дьяконова, Виктора Петрова и Максима Полякова. Российские теоретики предсказали, что массы легчайших пентакварков (то есть состояний вида ), входящих в барионный антидекуплет (см. рис.1), сравнительно невелики и что ширина распада самого легкого из пентакварков должна быть чрезвычайно узкой [4]. Недавнее наблюдение такого состояния, получившего обозначение , открыло новую главу в барионной спектроскопии. Ожидается, что исследование прольет новый свет на поведение сильных взаимодействий в непертурбативной области (Н.Н.: то есть в области, в которой неприменима теория возмущений). является экзотическим барионом, поскольку он не может состоять из трех кварков. Это верно и для двух других членов барионного антидекуплета, обведенных на рис.1 красными кружками, которые имеют странность S = -2, заряды Q = -2 и 0 соответственно и входят в изотопический квартет -частиц (Н.Н.: напомню, что эта загадочная греческая буква читается КСИ).

Рис.: а) Суммарное распределение инвариантных масс -, -, - и -систем; b) распределение по инвариантной массе за вычетом комбинационного фона, -пик аппроксимируется при помощи распределения Гаусса.

В эксперименте NA49, который проводится в CERN-е на ускорителе SPS (Super Proton Synchrotron), велись поиски состояния и в протон-протонных столкновениях при энергии 158 ГэВ [15]. Треки частиц, родившихся в протонных столкновениях, регистрировались в четырех больших камерах, наполненных газом. Высокое разрешение достигалось при помощи точной реконструкции траекторий и импульсов частиц, в то время как идентификация частиц проводилась по их ионизационным потерям в газе. Реконструкция вершин вторичных распадов дала возможность наблюдать сложные цепочки распадов пентакварковых состояний. После подавления фона при помощи подходящих экспериментальных ограничений в распределении по инвариантной массе -системы был обнаружен узкий пик на уровне 5,6 стандартного отклонения. Этот пик соответствовал инвариантной массе 1,862 0,002 ГэВ/c² (см. рис.2). Реальная ширина пика должна быть меньше, чем наблюдаемая полная ширина на полувысоте пика, которая равна 0,017 ГэВ/c² и сопоставима с разрешением экспериментальной установки.

Пики с фактически одинаковой массой были зарегистрированы в распределениях по инвариантной массе для - и -систем, а также для систем, состоящих из их античастиц. Сигнал от найден не был. Это связано с тем, что для канала , в котором потенциально можно наблюдать , ситуация с фоном значительно хуже. Экзотические барионы (с зарядом Q = -2 и странностью S = -2) и (Q = 0, S = -2) являются хорошими кандидатами в изоспиновый квартет пентакварков на роль состояний с кварковым составом и соответственно (см. рис.1). Открытие этих состояний является важным шагом на пути подтверждения существования пентакваркового барионного антидекуплета.

Представленная выше статья из журнала "CERN Courier" является достаточно краткой. Поэтому при ее прочтении может возникнуть неясность, развеять которую и призвано послесловие.

Во-первых, все барионы, в состав которых входит два странных кварка, принято обозначать буквой . Поэтому два предполагаемых пятикварковых состояния с кварковым составом и соответственно, а также один из продуктов их распада, имеющий кварковый состав , в статье обозначены одинаково (что является неудачным с точки зрения первого знакомства с предметом).

На самом деле, в эксперименте NA49 искали распады вида и , которые в подавляющем числе случаев идут за счет сильного взаимодействия. Если принять, что пентакварки имеют массу около 1860 МэВ, то на языке элементарных частиц эти распады можно записать в виде: и , где -- это хорошо известный барион из изотопического дублета , имеющий кварковый состав . Пентакварки пытались обнаружить в распределении по инвариантным массам и -систем (либо по инвариантным массам систем их античестиц).

Во всех четырех случаях были найдены пики при массе около 1860 МэВ, что указывает либо на отличное выполнение изотопической симметрии в пентакварковом антидекуплете, либо на невыясненные пока методические ошибки эксперимента.

Последние теоретические предсказания [16] (январь 2004 г.) для масс уже наблюдавшихся в экспериментах пентакварков дают следующие значения:

Видно, что экспериментальные результаты для масс предполагаемых - и -состояний очень хорошо согласуются с вычислениями теоретиков.

В феврале 2004 года свои данные по поиску пентакварков опубликовала китайская коллаборация BES-II (Beijing Spectrometer-II) [17]. Они пытались найти пентакварки в эксклюзивных реакциях

При статистике в 14 миллионов и 58 миллионов реакции (1) найдены не были, что привело к ограничению на парциальные ширины распадов и в два пентакварка на уровне при уровне достоверности 90%.

Результат коллаборации BES-II не противоречит гипотезе о существовании пентакварков. Действительно, если масса лежит в районе 1540 МэВ, то масса -пары равна примерно 3080 МэВ. Масса -мезона порядка 3097 МэВ, то есть в распаде выигрыш в массе составляет около 17 МэВ или чуть больше. Таким образом, данная реакция должна быть сильно подавлена по фазовому объему. Заметим, что такое подавление при бОльшей статистике можно использовать для точного определения массы пентакварка.

Масса -мезона около 3686 МэВ. В этом случае нет подавления по фазовому объему. Однако хорошо известно, что парциальная ширина распада меньше . Для распадов возникает дополнительное подавление порядка , где -- бегущая константа сильного взаимодействия, что автоматически приводит к парциальной ширине, меньшей .

Приведенные выше рассуждения по поводу результатов коллаборации BES-II в настоящее время активно циркулируют среди физиков-теоретиков всего мира. Можно надеяться, что в ближайшее время результаты BES-II могут быть проверены и улучшены на установках CLEO, BaBar и BELLE.

Список литературы

1 И.Иванов, "Текущие открытия в ФЭЧ: открытие бариона с положительной странностью", http://www.scientific.ru/spark/zplus.html

2 Н.Никитин, "Экзотические многокварковые состояния. Как обстоят дела на сегодняшний день?", http://phys.web.ru/db/msg/1187352/

3 А.Крашенинников, "Пентакварк существует", http://phys.web.ru/db/msg/1186499/

4 D.Diakonov et al., Z.Phys.A359 (1997), p.305.

5 T.Nakano et al., Phys.Rev.Lett.91 (2003), 012002.

6 S.Stepanyan et al., Phys.Rev.Lett.91 (2003), 252001.

7 V.V.Barmin et al., Phys.Atom.Nucl.66 (2003), p.1715.

8 J.Barth et al., hep-ex/0307083.

9 A..E. Asratyan, A.G.Dolgolenko, M.A.Kubantsev, hep-ex/0309042.

10 V.Kubarovsky et. al. hep-ex/0311046.

11 A.Airapetian et al., hep-ex/0312044.

12 A.Aleev et al., hep-ex/0401024.

13 По материалам доклада на семинаре в DESY.

14 Б.В.Мартемьянов, "Девять лекций по кварковой структуре адронов", http://www.pereplet.ru/pops/quark/quark.html

15 C.Alt et al., hep-ex/0310014.

16 J.Ellis, M.Karliner, M.Praszalowicz, hep-ph/0401127.

17 J.Z.Bai et al., hep-ex/0402012.