Пентакварк, знову пентакварк?
Микола Нікітін, НДІЯФ МДУ
розгорнулася справжня "гонка престижу". Після повідомлення японської
колаборації LEPS про відкриття першого пятікваркового стану (цю новину вже
кілька разів є переказували у російськомовному секторі Інтернету,
наприклад, в популярних нотатках [1], [2] і [3]), багато хто експериментальні
групи почали перевіряти свої дані на предмет виявлення пентакварка або
його побратимів по антідекуплету, існування якого було передбачене в теоретичній
роботі [4]. У передмові і наступного за ним перекладі з міжнародного журналу
з фізики високих енергій "CERN Courier" розповідається про останні
експериментальних відкриття на шляху вивчення пентакварков.
З багатьох питань, які виникають у людей,
вперше зацікавилися пентакваркамі, можна виділити три основних.
Перший: чим цікаві пятікварковие стану? Слід
відразу підкреслити, що існування пентакварков не перевертати сучасну
картину світу і не суперечить прийнятої на сьогоднішній день теорії елементарних
часток - так званої Стандартної Моделі (СМ), яка включає в себе
калібрувальних теорію електрослабкої взаємодії Глешоу-Вайнберга-Салама і
калібрувальних теорію сильних взаємодій - квантової хромодинаміки (КХД).
Більш того, пророкування існування антідекуплета пентакварков є
прямим наслідком наближеною SU (3)-симетрії сильних взаємодій, яка
виникає в КХД, якщо вважати, що маси трьох найлегших кварків u, d і s
приблизно однакові в порівнянні з характерним адронному масштабом ~ 1 ГеВ.
Подібна SU (3) масова симетрія є прямим
узагальненням SU (2) масової симетрії сильних взаємодій (Ізотопічний
симетрії), коли однаковими передбачаються тільки маси u-і d-кварків.
Оскільки констітуентние маси u-і d-кварків чисельно приблизно рівні між
собою, а маса констітуентного s-кварка більше приблизно в три рази, то
Ізотопічний симетрія в природі реалізується з набагато більшою точністю, ніж
масова SU (3)-симетрія.
Варто підкреслити, що обговорювану вище НАБЛИЖЕННЯ
SU (3)-симетрію сильних взаємодій ні в якому разі не можна плутати з точним
колірної SU (3)-симетрією сильних взаємодій. Хоча, з точки зору
математичного апарату теорії груп, ці два симетрії задаються за допомогою
однакових математичних перетворень, але, з точки зору фізики, їх
походження має зовсім різну природу. Тому різну природу і
ступінь Предсказательная точності мають слідства існування цих двох SU (3)-симетрій
сильних взаємодій. Студентам-фізикам старших курсів і читачам з вищою
освітою, більш докладно хто зацікавився цим питанням, для вивчення
SU (3)-симетрій сильних взаємодій "не відходячи від комп'ютера"
можна рекомендувати курс лекцій [14].
Інтерес вчених до пентакваркам можна порівняти з роботою
майстра-гончаря, який вже виліпив глек для води, а тепер домагається
ідеальної форми його стінок, шийки та ручки. Вчені теж мають у своєму
розпорядженні "глек для опису сильних взаємодій" --
Квантової хромодинаміки, з моменту створення якої пройшло вже більше 30 років.
КХД дає безліч пророцтв, у тому числі пророкування про можливість
існування в природі станів з чотирма кварками і одним антікварком
(саме такі стани отримали назви "пентакварк") і, наприклад,
абсолютної неможливості станів з двома кварками і одним антікварком. До
недавнього часу ні ті, ні інші стани не спостерігалися. В даний час
"дозволені" пентакваркі, як видно, спостерігаються в
кількох експериментах, а принципово неможливі з точки зору КХД
двукварково-одноантікварковие стану, як і раніше не відкриті.
Таким чином, спостереження пентакварков дозволило
вченим додатково підтвердити правильність КХД і отримати нові дані для
більш детального дослідження сильних взаємодій, іншими словами довести до
досконалості "ручку" "глечика", адже саме досконалість
відрізняє високохудожній витвір справжнього майстра-фізика від грубої
саморобки ремісника-одержімца.
Друге питання: у яких ще експериментах, крім
японського експерименту LEPS, зафіксовані сигнали від?
Нижче наводиться таблиця з переліком експериментів, які заявили про спостереження,
каналів, в яких ці спостереження були виконані, і знайдених характеристик-частинки.
В Таблиці 1 вимагають пояснення деякі позначення: A - ядро (застосовується для
тих експерімнтов, в яких народження пентакварка досліджувався в однотипних
реакціях на декількох ядрах), X - всі можливі інші частинки (застосовується
для позначення несуттєвих частинок в інклюзивних реакціях), d - Дейтон, --
короткоживучих компонента-мезона.
З таблиці добре видно, що є суттєвий
розкид у масах пентакварка і в його ширина. Однак, у багатьох випадках
вимірювання ширини лімітований роздільною здатністю апаратури.
Таблиця: Підсумок
експериментальних даних з виявлення сигналу від.
Частки в дужках утворюють ті пари, в розподілі за інваріантної масі
яких був виявлений пентакварк. Слід нагадати, що інваріантної масою
двох частинок називається величина, де і
--
енергія і імпульс кожній з частинок в деякій системі координат. Експеримент
Країна
Маса
Ширина
Реакція
Посилання
(МеВ)
(МеВ)
LEPS
Японія
25
[5]
CLAS (d)
США
21
[6]
DIANA
Росія
9
[7]
SAPHIR
Німеччина
25
[8]
ІТЕФ
Росія
20
[9]
CLAS (p)
США
[10]
HERMES
Німеччина
[11]
СВД-2
Росія
24
[12]
ZEUS
Німеччина
-
[13]
Третій: чому вчені впевнені, що вони бачать саме
пятікварковие освіти, адже кварки заховані усередині адронів і їх число не
піддається прямому визначенням? Перш за все зазначу, що незважаючи на бравурні
тон статей, особливо у науково-популярної періодичній літературі та ЗМІ, вчені
поки зовсім не впевнені, що пентакваркі виявлені. І, як не дивно, ця
невпевненість міцніє з кожним новим експериментом, що повідомляє про виявлення
чергового кандидата в пентакваркі.
Які міркування привели фізиків-експериментаторів до
думки, що є
пентакварк? Частка спостерігалася
у двох модах розпаду: і
.
Ядерна фізика заряди протона і нейтрона дорівнюють одиниці, а КАОН - нулю; сумарний
баріонів заряд кінцевої системи в обох реакціях дорівнює одиниці. Якби розпад
йшов
з порушенням баріонів заряду, то при існуючій статистиці експерименту
LEPS і його послідовників подібний розпад було б неможливо спостерігати
(існують надзвичайно жорсткі експериментальні обмеження на ймовірність
порушення баріонів заряду, пов'язані, в основному, з виміром часу життя
протона на японських установках KamiokaNDE і SuperKamiokaNDE). Оскільки розпади
спостерігаються, то природно припустити, що в даному випадку баріонів заряд зберігається,
тобто його величина для дорівнює
одиниці.
Дивність стану вимірювалася
в розпаді.
Якщо припустити, що розпад йде за рахунок сильної взаємодії
(характеристики розпаду вказує саме на цю можливість), то дивина
також зберігається. Оскільки дивина-мезона
дорівнює 1, то і дивина теж
повинна бути дорівнює 1, тобто частка має
містити хоча б один дивний антікварк. Таким чином, --
це частка з баріонів зарядом +1, але що містить хоча б один антікварк.
Мінімальним подібним станом може бути стан, що містить чотири кварка
і дивний антікварк, що відповідає теоретичним прогнозам групи
Д. Дьяконова [4].
Маса і повна ширина стану також
добре узгоджуються з прогнозами групи Дьяконова, так що найбільш
природним припущенням є гіпотеза, що стан є
пентакварк з позитивною дивина з антідекуплета найлегших пентакварков.
Його очікуваний кваркової склад.
Однак, необхідно підкреслити ще раз, що до абсолютно безперечних суджень
щодо природи дуже
далеко. Погано стикуються один з одним дані з Таблиці 1 - краще цього
підтвердження.
тонкість: неможливо ПРЯМО виміряти дивина пентакварка по розпаду,
оскільки основний модою, за якою експериментально виявляється-мезон,
є розпад,
що йде за рахунок слабкої взаємодії і, отже, порушує дивина.
Н. Нікітін
Нові пятікварковие стану знайдені
в CERNе
Минуло всього кілька місяців після спалаху
ентузіазму, викликаної майже поглядом відразу в декількох
експериментах нової частинки, що складається з п'яти кварків, - а вже приходять
повідомлення про спостереження інших пятікваркових станів, споріднених першим.
Рис.1:
Гіпотетичний баріонів антідекуплет пентакварков. Ці стани утворюють
трикутник. Можливо, що в даний час відкриті три стани, що лежать на
сторони цього трикутника (обведені кружками).
Запропонована в 1960-х роках Кваркова модель виявилася
досить вдалою для опису відомих баріонів як зв'язаних станів трьох
кварків. Однак, Квантова хромодинаміка не забороняє існування баріонів,
що містять і більше трьох "цеглинок". Пошуки таких многокваркових
станів велися багато років, але до недавнього часу експериментально не було
виявлено жодного прийнятного кандидата. Новий імпульс пошукам додали
теоретичні роботи Дмитра Дьяконова, Віктора Петрова та Максима Полякова.
Російські теоретики передбачили, що маси найлегших пентакварков (тобто
станів види),
що входять до баріонів антідекуплет (див. рис.1), порівняно невеликі і що
ширина розпаду найлегшого з пентакварков повинна бути надзвичайно вузької
[4]. Недавнє спостереження такого стану, що одержав позначення,
відкрила нову главу в баріонів спектроскопії. Очікується, що дослідження проллє
нове світло на поведінку сильних взаємодій у непертурбатівной області
(М.М.: тобто в області, в якій не застосовується теорія збурень). є
екзотичним баріонів, оскільки він не може складатися з трьох кварків. Це
вірно і для двох інших членів баріонів антідекуплета, обведених на рис.1
червоними кружками, які мають дивина S = -2, заряди Q = -2 і 0 відповідно
і входять до Ізотопічний квартет-частинок
(М.М.: нагадаю, що ця загадкова грецька буква читається КСІ).
Рис.:
а) Сумарний розподіл інваріантних мас -,
-,
--
і-систем;
b) розподіл по інваріантної масі за вирахуванням комбінаційного фону,-пік
апроксимується за допомогою розподілу Гауса.
В експерименті NA49, який проводиться в CERN-е на
прискорювачі SPS (Super Proton Synchrotron), велися пошуки стану і
в
протон-протонних зіткненнях при енергії 158 ГеВ [15]. Треки частинок,
що народилися в протонних зіткненнях, реєструвалися в чотирьох великих
камерах, наповнених газом. Висока роздільна здатність досягалося за допомогою точної
реконструкції траєкторій та імпульсів частинок, у той час як ідентифікація
частинок проводилася за їх іонізаційним втрат в газі. Реконструкція вершин
вторинних розпадів дала можливість спостерігати складні ланцюжки розпадів
пентакваркових станів. Після придушення фону за допомогою відповідних
експериментальних обмежень у розподілі по інваріантної масі-системи
був виявлений вузький пік на рівні 5,6 стандартного відхилення. Цей пік
відповідав інваріантної масі 1,862 0,002
ГеВ/c2 (див. рис.2). Реальна ширина піку повинна бути менше, ніж
спостерігається повна ширина на полувисоте піку, що дорівнює 0,017 ГеВ/c2
і порівнянна з роздільною здатністю експериментальної установки.
Піки з фактично однаковою масою були
зареєстровані в розподіли з інваріантної масі для --
і-систем,
а також для систем, що складаються з їх античастинок. Сигнал від знайдений
не був. Це пов'язано з тим, що для каналу,
в якому потенційно можна спостерігати,
ситуація з фоном значно гірше. Екзотичні баріони (з
зарядом Q = -2 і дивина S = -2) і (Q
= 0, S = -2) є гарними кандидатами в ізоспіновий квартет пентакварков
на роль станів з кваркової складом і
відповідно
(див. рис.1). Відкриття цих станів є важливим кроком на шляху
підтвердження існування пентакваркового баріонів антідекуплета.
Представлена вище стаття з журналу "CERN
Courier "є досить короткою. Тому при її прочитанні може
виникнути неясність, розвіяти яку і покликане післямова.
По-перше, всі Баріони, до складу яких входить два
дивних кварка, прийнято позначати буквою.
Тому два передбачуваних пятікваркових стану з кваркової складом і
відповідно,
а також один із продуктів їх розпаду, що має кваркової склад,
у статті позначені однаково (що є невдалим з точки зору першого
знайомства з предметом).
Насправді, в експерименті NA49 шукали розпади виду
і, які в переважній кількості випадків йдуть за
рахунок сильної взаємодії. Якщо прийняти, що пентакваркі мають
масу близько 1860 МеВ, то на мові елементарних частинок ці розпади можна
записати у вигляді: і
, Де --
це добре відомий Баріони з Ізотопічний дублети,
що має кваркової склад.
Пентакваркі намагалася знайти в розподілі за інваріантні мас і
-систем
(або по інваріантні масам систем їх антічестіц).
В усіх чотирьох випадках були знайдені піки при масі
близько 1860 МеВ, що вказує або на відмінне виконання Ізотопічний
симетрії в пентакварковом антідекуплете, або на невияснені поки
методичні помилки експерименту.
Останні теоретичні передбачення [16] (січень 2004
р.) для мас вже спостерігалися в експериментах пентакварков дають наступні
значення:
Видно, що експериментальні результати для мас
передбачуваних --
і-станів
дуже добре узгоджуються з обчисленнями теоретиків.
У лютому 2004 року свої дані з пошуку пентакварков
опублікувала китайська колаборація BES-II (Beijing Spectrometer-II) [17]. Вони
намагалися знайти пентакваркі в ексклюзивних реакціях
(1)
При статистикою в 14 мільйонів і
58 мільйонів реакції
(1) знайдені не були, що призвело до обмеження на парціальні ширини розпадів і
в
два пентакварка на рівні при
рівні достовірності 90%.
Результат колаборації BES-II не суперечить гіпотезі
про існування пентакварков. Дійсно, якщо маса лежить
в районі 1540 МеВ, то маса-пари
дорівнює приблизно 3080 МеВ. Масса-мезона
близько 3097 МеВ, тобто у розпаді виграш в масі становить близько 17 МеВ або
трохи більше. Таким чином, ця реакція повинна бути сильно пригнічена по
фазового об'єму. Зауважимо, що таке придушення при більшій статистикою можна
використовувати для точного визначення маси пентакварка.
Масса-мезона
близько 3686 МеВ. У цьому випадку немає придушення по фазового об'єму. Однак добре
відомо, що парціальна ширина розпаду менше.
Для розпадів виникає додаткове придушення порядку,
де --
біжить константа сильної взаємодії, що автоматично призводить до
парціальний ширині, меншою.
Наведені вище міркування з приводу результатів
колаборації BES-II в даний час активно циркулюють серед
фізиків-теоретиків усього світу. Можна сподіватися, що найближчим часом
результати BES-II можуть бути перевірені і поліпшені на установках CLEO, BaBar і
BELLE.
Список літератури
1
І. Іванов, "Поточні відкриття в ФЕЧ: відкриття баріонів з
позитивної дивацтва ", http://www.scientific.ru/spark/zplus.html
2
Н. Нікітін, "Екзотичні многокварковие стану. Як ідуть
справи на с?? годняшній день? ", http://phys.web.ru/db/msg/1187352/
3
А. Крашенинников, "Пентакварк існує",
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
За матеріалами доповіді на семінарі в DESY.
14
Б. В. Мартемьянов, "Дев'ять лекцій з кваркової
структурі адронів ", 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.
