Ученые оценили открытие «Мафусаила мира экзотических частиц»

Фото: Pierre Albouy / Reuters

Опрошенные РБК ученые оценили открытие новой частицы материи на Большом адронном коллайдере, о чем было объявлено днем 29 июля.

Как сообщалось, ученые представили первые наблюдения за новой частицей материи — дважды очарованным тетракварком. Эта частица состоит из двух очарованных кварков и двух антикварков. До этого считалось, что адроны могут состоять либо из кварка и антикварка, либо из трех кварков.

Старший научный сотрудник Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (ИТЭФ), кандидат физико-математических наук Иван Беляев, который принял участие в исследовании, сообщил РБК, что целью научной работы было понять, как устроен наш мир. «Безусловно, мы уже довольно много знаем об окружающем мире, о структуре материи, атомов, но когда мы проникаем еще глубже, то наше понимание постепенно меняется с количественного до полуколичественного и местами просто качественного», — сказал он.

По его словам, к примеру, ученые могут качественно сказать, как устроены протоны и нейтроны, из которых состоят ядра атомов, но количественно ответить на этот вопрос совершенно непросто. «С другой стороны, если мы копнем еще глубже, значительно глубже, то оказывается, что там происходит чудо, и на очень маленьких расстояниях, которые изучает физика высоких (и очень высоких) энергий, у нас появляется теория, которая позволяет довольно точно рассчитать все интересующие нас процессы и явления — квантовая хромодинамика (КХД), теория сильных взаимодействий. То есть физики начинают чувствовать себя весьма комфортно», — добавил ученый.

Ученые заявили об открытии новой частицы материи на Большом коллайдере

Общество

Вместе с тем он отметил, что на расстояниях от нескольких сотых радиуса протона до нескольких радиусов протона надежной теории и надежных методов расчетов нет. «Тут приходится полагаться на те или иные приближенные модели и на численные расчеты, называемые «вычисления на решетках». В таких случаях всегда работает принцип «доверяй, но проверяй». И проверка тех или иных предсказаний и расчетов является мощнейшим способом тестирования этих моделей и, соответственно, приближает нас к пониманию того, как работает КХД на этом масштабе расстояний, и, соответственно, к лучшему пониманию того, как именно устроен наш мир», — пояснил Беляев.

Как подчеркнул ученый, совершенно точно можно сказать, что благодаря этому исследованию сделан еще один шаг. «Большой ли то шаг или не очень, будет понятно нескоро. Но, как и любое открытие в науке, это не только вклад в науку как таковую, но и в общечеловеческую культуру», — считает он.

Говоря о том, что представляет собой тетракварк, Беляев сказал: «Это я и сам хотел бы знать». «То, что мы обнаружили, никак нельзя описать как «обычную» частицу. 57 лет назад появилась Кварковая модель, которая предложила описание всех адронов (частиц, которые участвуют в сильных взаимодействиях и к которым относятся, к примеру, протоны и нейтроны), базируясь на очень простых и элегантных принципах — все адроны представляют собой либо пары кварк — антикварк, либо тройки кварков», — сообщил он.

Ученый заметил, что эта схема прекрасно работала до 2003 года, когда внезапно была обнаружена загадочная частица, названная X (3872), которая очень плохо вписывалась в эту простую схему. «С 2003 года прошло уже много лет, мы многое знаем об этой частице, но мы до сих пор не понимаем, что именно эта частица из себя представляет. Потом необычные, или, как мы их называем, «экзотические», частицы посыпались, как из рога изобилия, и на сегодняшний день мы имеем примерно 25 частиц, которые не вписываются в эти рамки, четыре частицы, которые могут быть объяснены только как пентакварки, и около 20 частиц, которые более всего похожи на тетракварки. Тут ключевые слова — «более всего». Практически все из них с какими-то усилиями и не очень естественно имели и какое-либо другое, часто довольно вычурное и далеко не общепринятое, возможное объяснение», — рассказал Беляев.

Как отметил ученый, в этом вопросе важен сам факт, поскольку интерпретация этих экзотических состояний как тетракварков — не единственная. «И вот тут в игру вступает наша новая частица. И оказывается, что у нее, уникальной, нет никакой другой возможной интерпретации», — сказал он.

По его словам, большая часть других экзотических частиц содержит очарованный кварк и очарованный антикварк. «Мы же первый раз видим экзотическую частицу, в которой есть целых два очарованных кварка (с-кварка), — это на корню убивает практически все другие альтернативные интерпретации. То, что мы видим, — это тетракварк, состоящий из двух очарованных кварков: «нижнего» антикварка и «верхнего» антикварка», — пояснил Беляев.

Он подчеркнул, что удивительной также является масса новой частицы: она оказалась чрезвычайно близка к сумме масс двух других частиц — очарованных мезонов. «Такая близость вряд ли является случайной — для этого должна быть какая-то причина, нам сейчас совершенно неизвестная», — добавил ученый.

Еще более удивительным является время жизни данной частицы, заметил Беляев, так как она является Мафусаилом мира экзотических частиц. «Ее время жизни в 10–500 раз больше типичного времени жизни экзотических частиц.
И еще один момент: новая частица очень «рыхлая» — ее масса чуть-чуть больше массы ядра атома гелия, также известного как альфа-частица, а по размеру, как мы сейчас понимаем, она примерно соответствует ядру атома радия, который в 50 раз тяжелее. И это тоже довольно необычно и интригующе», — рассказал он.

Еще один участник исследования, кандидат физико-математических наук Иван Поляков сообщил РБК, что, по сути, непонятно, что из себя представляют открытые 25 частиц, о которых говорил Беляев, и это является проблемой. «Проблема имеет два конца. С одной стороны, несмотря на то что имеющаяся теория взаимодействий между кварками (КХД) замечательно описывает эффекты на очень малых расстояниях (достигаемых при очень больших энергиях). А на обычных расстояниях между кварками в адронах (сравнимых с размерами протонов) вычисления становятся невероятно сложными и неподъемными. В итоге приходится идти на некие ухищрения и упрощения, про которые неизвестно, насколько они правильно работают», — рассказал он.

С другой стороны, как отметил Поляков, про большинство открытых экзотических частиц нельзя с полной уверенностью сказать, реальны они или нет, так как существуют разные объяснения. «Или же их свойства измерить так сложно, что невозможно сказать, какая теоретическая модель лучше всего подходит», — добавил он.

По его мнению, в этом смысле новый тетракварк является настоящим подарком. «Во-первых, про него можно с полной уверенностью сказать, что он состоит из двух очарованных кварков (более тяжелых версий «обычных» кварков) и двух антикварков. И никак иначе. А во-вторых, нам так повезло, что он распадается в десятки или сотни раз медленнее всех остальных экзотических частиц, и отчасти поэтому мы смогли очень точно измерить его свойства», — сообщил Поляков.

По его словам, открытый тетракварк может оказаться своеобразной моделью внутриядерных взаимодействий. Оказалось, что масса этого тетракварка лишь чуть-чуть меньше суммы масс двух очарованных мезонов, поэтому исследователи могут представить, что он состоит из двух очарованных мезонов (частица с одним очарованным кварком), связанных друг с другом, — подобно тому, как протоны и нейтроны связаны между собой в ядрах, пояснил он.

Поляков добавил, что здесь вопрос заключается в том, существуют ли эти два очарованных мезона почти отдельно друг от друга или же их кварки тесно переплетены между собой, или что-то посередине. «Однако в случае очарованных тетракварков из-за того, что они более тяжелые, теоретические вычисления становятся немного более легкими и от того более надежными, поэтому есть надежда, что благодаря этой частице наконец удастся разобраться во многих до сих пор неразрешенных вопросах», — считает ученый.

Главный исследователь кластера ORIGINS (Мюнхен, Германия) Михаил Михасенко, который принимал участие в эксперименте, рассказал РБК, что ученым еще предстоит выяснить множество деталей об открытой частице, например, ее внутреннее строение. «В данный момент нет хорошего понимания размера нашего формирования и того, похожа ли она на составные атомы, как дейтрон или альфа-частица, или ближе по структуре к более простым частицам, как протон и нейтрон», — пояснил ученый.

Он отметил, что обнаруженная частица — не элементарная, как электрон, а имеет сложную внутреннюю структуру: чуть больше половины энергии заключено в массе составляющих компонент (четыре кварка), а оставшаяся часть хранится в энергии взаимодействия компонент.

«Наше открытие показывает, что TCC+ формирование сильно связанно и достаточно долгоживущее — 1e–20 секунды (1/100,000,000,000,000,000,000 секунды), что практически невероятно для микромира сильного взаимодействия», — подчеркнул Михасенко. По его словам, за последние 20 лет исследователи находили все больше доказательств существования экзотических формирований, и теперь у ученых появился «бесспорный экспериментальный факт», а также понимание того, в каком направлении продолжать исследования.

Директор НИИ ядерной физики МГУ им. Ломоносова, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Эдуард Боос, комментируя открытие новой частицы материи, сообщил РБК, что основные частицы, из которых построено вещество, — это ядра и окружающие их электронные оболочки. «Ядра построены из частиц — протонов и нейтронов. Они, в свою очередь, состоят из кварков u и d и глюонов, которые склеивают их в протоны и нейтроны. Помимо кварков u и d, которые называются также кварками первого поколения, существуют кварки второго и третьего поколения», — рассказал он.

По его словам, во вновь открытой частице уникально собрались вместе два очарованных кварка c и c. «Когда были кварки и антикварки, такие частицы уже были найдены — c и анти-c — и другие легкие кварки в составе. Они называются частицами со скрытым очарованием, скрытым чармом. Здесь впервые обнаружена частица мезон (четыре кварка) с двумя c-кварками. Это так называемая частица с открытым очарованием, очарование ничем не скомпенсировано, это дважды очарованный мезон. Заряд у него плюс, поэтому он обозначается буквой T — TCC+. Помимо двух c-кварков в его состав входят анти-u-кварк и анти-d-кварк. Даже факт наличия этого состояния в течение долгого времени подвергался теоретическим сомнениям. Это важно и интересно с теоретической точки зрения», — заявил Боос.

По мнению ученого, было необходимо узнать, существует такая частица или нет. Он подчеркнул, что ее достаточно трудно выделить, потому что ее масса находится вблизи порогов рождения других частиц. «Чтобы это выделение можно было сделать, состояние должно быть долгоживущим. И вот коллаборация LHCb достигла результата, выделила это состояние. Теперь это представляет интерес для дальнейшей работы теоретиков по интерпретации того, как это состояние более детально устроено внутри, как идут распады», — заметил он.

Боос добавил, что любая новая достаточно долгоживущая (детектируемая) частица — это расширение нашего познания о том, как устроен мир, а также о правильности представлений, лежащих в основе понимания. «А основа понимания, как устроен микромир, позволяет понять, что было во Вселенной в первые мгновения, как развивалась история, происходило образование Вселенной, биосинтез, образовывались связные состояния из кварков. Тем самым дойти до того, как образовались мы, все окружающее нас. Все вокруг образовано из нуклонов — сильно взаимодействующих частиц, составленных из кварков. Чем больше мы о них знаем, тем лучше понимаем, как происходили процессы во Вселенной», — заключил Боос.