Цивилизация
Физики, работающие на Большом адронном коллайдере, сообщили об обнаружении пентакварков — субатомных частиц, существование которых ранее считалось недоказанным, сообщает пресс-служба Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN). Ученые собираются опубликовать свое исследование в журнале Physical Review Letters, а пока с ним можно ознакомиться на сайте препринтов arXiv.org.
Об открытии «Газете.Ru» рассказал физик из коллаборации LHCb, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики Иван Беляев (признан в РФ иностранным агентом).
— Как возникла задача поиска пентакварка?
— Давайте начнем с самых основ. Из чего состоит привычный нам мир? Из молекул. Молекулы состоят из атомов. Атом — это ядро и вращающиеся вокруг него электроны. Ядро состоит из нейтронов и протонов. Эти частицы вместе называются барионами («тяжелые» по-гречески). Американский ученый, лауреат Нобелевской премии по физике 1969 года Марри Гелл-Манн предположил (и почти доказал), что все барионы состоят из кварков. Позже выяснилось, что барионы состоят из трех кварков, а еще один важный класс частиц — мезоны — состоит из кварка и антикварка.
Кварки впрямую не наблюдаются в эксперименте, но их существование надежно доказано. Их изучает особая область науки — квантовая хромодинамика. И в теории квантовой хромодинамики нет никаких запретов на существование тяжелых частиц, состоящих из другого числа кварков — например, трех кварков и одного антикварка (тетракварк), четырех кварков и одного антикварка (пентакварк).
Теория это не запрещает, более того, теория утверждает, что такие частицы должны существовать, но в экспериментах этого не наблюдалось.
— А делались попытки?
— Попыток было много. В конце 80-х годов появились первые намеки на пентакварк, и они не подтвердились. Потом снова и снова — и они тоже не подтвердились. Почти 30 лет поисков создали пентакварку, скажем так, дурную репутацию.
И до сегодняшнего дня, если спросить физика о пентакварке, на лице его будет не выражение восторга, а скорее скепсис.
Почти десяток экспериментов говорили, что он есть, но никогда не удавалось сделать независимого подтверждения. Вплоть до того, что два «соседа» по Гамбургскому ускорителю HERA — эксперименты ZEUS и H1 — каждый «открыли» по пентакварку, но не смогли воспроизвести данные друг друга.
— А как вы увидели пентакварк на LHCb?
— Мы сделали открытие почти случайно, так часто бывает в экспериментальной физике. Мы изучали распад прелестного лямбда-бариона и увидели в нем пентакварк. В физике такое везение часто играет большую роль, и мы чувствовали одновременно и радость, и опасение.
Так что где-то с января этого года мы начали анализ: длинный, и сложный, и очень точный. В него были вовлечены группы из США, Англии, Китая, Нидерландов, России и других стран.
Не хотелось стать 11-м неудачником пентакварка, как мы помним, у этой частицы довольно плохая репутация. Потребовалось очень много усилий, чтобы доказать, что это правда открытие, что это не ошибка, как все предыдущие эксперименты.
Так чувствовали себя, наверное, ученые на экспериментах CMS и ATLAS, когда впервые увидели намеки на бозон Хиггса, но предстояло еще очень много работы для проверки. Но у бозона Хиггса не было отрицательной репутации, как у нашего пентакварка.
— Почему сейчас есть уверенность, что это именно пентакварк и он не статистическая ошибка?
— При наблюдении частиц есть такое понятие, как статистическая значимость. Очень редко частица открывается с большой значимостью: обычно это три сигмы, пять сигм. А у нас на LHCb — на уровне девяти сигм, поэтому статистическая ошибка полностью исключена. Сейчас мы ждем проверки наших данных от тех экспериментов, где это технически возможно. Во-первых, наши коллеги по Большому адронному коллайдеру, коллаборация CMS, могут наблюдать те же распады и могут сейчас проанализировать накопленные данные, хотя на это понадобится время.
Надеюсь, к Рождеству или Новому году они сделают нам приятный подарок.
Кроме того, попытаться повторить наши наблюдения может коллектив коллайдера Тэватрон в США. Они прекратили набор данных, но остались массивы информации, накопленной за время активной работы (хотя у Тэватрона по нашим распадам может не хватить статистики).
Вселяет уверенность и то, что мы очень точно измерили их свойства — массу, параметры, квантовые числа, которые являются «паспортом» частицы.
— Как изменит открытие пентакварка физику частиц?
— Как я уже сказал, хромодинамика показывает, что может быть огромное разнообразие наборов кварков и антикварков. Загадкой было, почему мы этого не видим, это наталкивало на мысли о правильности самой теории. Но теперь мы видим, что они существуют, просто мы их не так или не там искали. То есть в теории нет фундаментальной проблемы, это вопрос практики.
Важно и то, что мы видим не один пентакварк, а два.
Но существование сразу двух пентакварков, близких по массе, не предсказывалось ни в одной модели, и сейчас это вызовет целый шквал теоретических работ, думаю, штук сто до конца года, потому что теоретикам нужно объяснить, как такое возможно.
А экспериментаторам предстоит снова пытаться раздвинуть границы известного. Наш пентакварк очень тяжелый и довольно сложно устроенный: в нем один очарованный кварк, один очарованный антикварк и три легких кварка. Естественно ожидать существование большого множества более простых объектов, например с заменой очарованного кварка и очарованного антикварка на их более легкие «странные» аналоги или более тяжелые «прелестные» аналоги — их и попытаются найти эксперименты, работающие на более низких энергиях. Наверняка эксперимент BELLE в Японии и ряд других ускорителей уже пересматривают свою программу исследований, чтобы найти эти частицы. Остальные пентакварки тоже должны существовать, теория не любит слишком особенные частицы.