Пентакварк

Пентакварк (P
c
)
Открытая в 2015 году частица из пяти кварков
Открытая в 2015 году частица из пяти кварков
Состав 5 кварков:
u, u, d, c, c [1]
Семья Фермион
Группа Барион, адрон, резонанс
Участвует во взаимодействиях

Гравитационное[2]

Сильное
Масса P
c
(4450)+
: 4450
МэВ/с^2[1]
P
c
(4380)+
: 4380
МэВ/с^2[1]
Ширина распада P
c
(4450)+
: 40
МэВ[1]
P
c
(4380)+
: 200
МэВ[1]
Теоретически обоснована Мюррей Гелл-Манн (1964)
Обнаружена Большой адронный коллайдер (2015)
В честь кого или чего названа Пять кварков
Квантовые числа
Барионное число 1
Лептонное число 0
B−L 1
Спин P
c
(4450)+
: 5/2[1]
P
c
(4380)+
: 3/2[1] ħ
Чётность P
c
(4450)+
: +[1]
P
c
(4380)+
: −[1]
Очарование 0
Гиперзаряд 1
Слабый гиперзаряд 1
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Пентаква́рки — группа составных субатомных частиц, состоящих из пяти кварков. Их существование было доказано с использованием Большого адронного коллайдера в июле 2015 года. Являются барионами, адронами, фермионами, резонансами. Порождают направление исследований в адронной спектроскопии — физику пентакварков[1].


История[ | ]

Возможность существования адронов, включающих больше кварков, чем минимально необходимо (три кварка или пара кварк-антикварк), была рассмотрена ещё авторами кварковой модели Гелл-Маном (в 1964 году) и Цвейгом. Модель барионов, состоящих из 4 кварков и 1 антикварка, была рассмотрена в конце 1970-х годов. Название «пентакварк» для этих частиц было предложено израильским физиком Хэрри (Цви) Липкиным (англ.) в 1987 году[3].

В 1997 году Дмитрий Дьяконов, Виктор Петров и Максим Поляков предложили теорию, предсказывающую существование пентакварков (экзотический антидекуплет) из лёгких кварков и их свойства[4][5]. Экспериментально существование пентакварка в месте, предсказанном теорией 1997 года,[5] возможно, было подтверждено в июле 2003 года Такаси Накано в эксперименте LEPS (Осакский университет, Япония), Кеном Хиксом на Национальном ускорителе имени Джефферсона (город Ньюпорт-Ньюс, штат Вирджиния). В этих экспериментах высокоэнергетичные гамма-кванты взаимодействовали с нейтроном, создавая мезон и пентакварк. Однако пентакварк существует в течение 10−20 секунд перед распадом на мезон и нейтрон[6].

Затем несколько других групп исследователей исследовали данные в определённых каналах и диапазонах энергий. В целом 12 групп сообщили о положительных сигналах пентакваркового состояния. Например, два эксперимента на ускорителе HERA, ZEUS и HERMES, и эксперимент СВД[7] на ускорителе У-70 в Протвино заявили о наблюдении кандидатов в пентакварки со статистической значимостью от 4 до 8 стандартных отклонений.

Однако существование пентакварков подвергалось сомнению. Для того, чтобы внести в этот вопрос бо́льшую ясность, коллаборация CLAS провела эксперимент в лаборатории Джефферсона с целью обнаружить пентакварк. В ходе эксперимента учёные бомбардировали жидкий водород высокоэнергетичными протонами. Несмотря на то, что полученный объём данных в 10 раз превышал статистику, собранную немецкой группой SAPHIR, а результаты исследований были в 50 раз точнее, чем у немцев, американцам не удалось найти никаких следов пентакварков (хотя результаты первых экспериментов CLAS 2003 года показывали наличие пентакварков со статистической значимостью вплоть до 7 стандартных отклонений)[8][9].

В конечном итоге, в большинстве экспериментов (например HERA-B, BaBar и Belle) на вопрос об обнаружении пентакварков был получен отрицательный ответ, опровергающий ранее полученные положительные результаты с малой статистикой. Тем не менее, в данных LEPS по-прежнему присутствуют узкие пики, которые могут быть интерпретированы как проявление пентакварков. В начале 2009 года LEPS опубликовал в журнале «Physical Review» статью, где утверждается, что сигнал от пентакваркового состояния с массой 1524 ± 4 МэВ/c² виден со статистической значимостью 5,1 стандартных отклонений[10]. Эксперименты по поиску пентакварков продолжались.

14 июля 2015 года учёные из коллаборации LHCb сообщили об открытии пентакварков в результате столкновений протонов при энергиях до восьми тераэлектронвольт (при распаде лямбда-бариона[11]) на Большом адронном коллайдере[12][13][3], пентакварки такого типа и в таком месте до того никто не предсказывал[5]. Поиск пентакварков не был объектом эксперимента LHCb (который прежде всего предназначен для исследования асимметрии материи и антиматерии)[14], и несомненное открытие пентакварков было описано представителем ЦЕРН как «случайность» и «нечто удивительное, что мы случайно нашли»[15].

18 августа 2016 года LHCb подтвердила открытие пентакварка в статье в Nature[16]. В статье указано, что за год данные были исследованы независимым от представлений о пентакварках образом и необходимость в объяснении результатов введением пентакварков на уровне статистической значимости около 10σ (стандартных отклонений)[17].

Свойства[ | ]

Кварковый состав u, u, d, c, c. Всего было открыто одновременно 2 представителя группы: P
c
(4450)+ и P
c
(4380)+. Массы у них 4450 МэВ и 4380 МэВ соответственно, ширина распада 40 МэВ и 200 МэВ, спин 5/2 и 3/2, чётность + и −.

В результате проверки диаграммой Аргана[18] про P
c
(4380)+ есть сомнения, частица ли это, про второй таких сомнений нет. Теоретического описания найденных частиц нет. Это могут быть или «адронные молекулы», образуемые протоном и J/ψ мезоном, или настоящее пятикварковое состояние: структура дикварк + дикварк + антикварк, дикварк + трикварк и другие.[1].

Примечания[ | ]

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Открыт адрон нового типа — пентакварк со скрытым очарованием Игорь Иванов
  2. Удивительный мир внутри атомного ядра. Вопросы после лекции, ФИАН, 11 сентября 2007 года
  3. 1 2 R. Aaij et al. (LHCb Collaboration). Observation of J/ψp Resonances Consistent with Pentaquark States in Λ0
    b
    J/ψKp Decays // Phys. Rev. Lett. — 2015. — Vol. 115. — P. 072001. — doi:10.1103/PhysRevLett.115.072001.
  4. Dmitri Diakonov; Victor Petrov, Maxim Polyakov. Exotic anti-decuplet of baryons: prediction from chiral solitons (англ.) // Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei : journal. — 1997. — Vol. 359, no. 3. — P. 305—314. — doi:10.1007/s002180050406.
  5. 1 2 3 Петров В. Пентакварки // Наука и жизнь. — 2016. — № 3. — С. 20—24.
  6. Японские учёные обнаружили пятикварковые субатомные частицы // «Мембрана», 1.07.2003
  7. П. Ф. Ермолов, А. В. Кубаровский, В. А. Никитин, Поиски пентакварка продолжаются! // 2007
  8. Пентакварк — все-таки миф? // Элементы", 22.04.2005
  9. Рур, пентакварки и NICA // газета «Дубна», № 12-13, 20.03.2009
  10. LEPS Collaboration (T. Nakano et al.), Evidence of the Θ+ in the γd → K+Kpn reaction, Phys. Rev. C79 025210, 2009, arXiv:0812.1035 [nucl-ex.]
  11. Пентакварк открыт окончательно
  12. В ЦЕРНе открыли предсказанный российскими физиками пентакварк
  13. Кварки: больше трех — собираться // 18.07.2015
  14. Where has all the antimatter gone?. CERN/LHCb (2008). Дата обращения: 15 июля 2015.
  15. G. Amit. Pentaquark discovery at LHC shows long-sought new form of matter. New Scientist (14 июля 2015). Дата обращения: 14 июля 2015.
  16. Физики подтвердили открытие пентакварка
  17. Тяжелый пентакварк окончательно подтвержден
  18. Ф. Никитиу Методы определения резонансов в фазовом анализе // ЭЧАЯ 12, 805 (1981)

Ссылки[ | ]