Физики впервые поймали неизвестную субатомную частицу из четырёх кварков

Согласно теории Стандартной модели, описывающей фундаментальные взаимодействия субатомных частиц, каждый протон и нейтрон (составляющие ядра атома) состоит из элементарных частиц, называемых кварками. Кварки являются "переносчиками" сильного взаимодействия, самого необычного из всех четырёх видов: чем больше они отдаляются друг от друга, тем сильнее притягиваются.

За это свойство отвечают ещё одни частицы-переносчики взаимодействий, которые называются глюоны (от английского glue — "клей"). Они выполняют почти ту же функцию, что и фотоны, которые являются переносчиками электромагнитного взаимодействия.

Долгое время считалось, что протон — частица неделимая, ведь никому не удавалось разложить её на более мелкие составляющие. Но в 1968 году учёным всё же удалось разглядеть "анатомию" адронов, отвечающих за сильное взаимодействие.

Науке известно всего шесть видов кварков, а также ещё шесть антикварков. Они получили довольно необычные названия: верхний (u, от английского "up"), нижний (d, down), очарованный (с, charmed), странный (s, strange), истинный (t, truth) и прелестный (b, beauty).

Ранее экспериментально было подтверждено существование частиц, состоящих максимум из трёх кварков — всем известные протоны и нейтроны. Также учёные знали о мезонах, состоящих из двух кварков, а точнее из пары кварк-антикварк. Но обнаружить более трёх кварков, составляющих одну частицу, до сих пор не удавалось.

Удивительное открытие совершили сразу две независимые группы исследователей: одна команда проводила эксперимент Belle в японской Организации по изучению высокоэнергетических ускорителей (KEK), а другая совершила открытие в рамках эксперимента BESIII Института физики высоких энергий (IHEP) в Китае.

Обе команды занимались исследованием Y(4260)  — частицы, обнаруженной учёными из Стэнфордского университета в 2005 году. Она представляет особый интерес для физиков, поскольку не вписывается в кварковую модель.

В ходе эксперимента учёные сталкивали друг с другом электроны и позитроны (их античастицы), чтобы получить достаточное количество Y(4260). Одной для полноценного изучения было бы недостаточно: у этих частиц крайне короткая "жизнь" — всего 10-23 секунды. Внезапно физики заметили необычное возмущение в 3,9 гигаэлектронвольта (ГэВ), а эта энергия в четыре раза превышает массу протона. (Физики оперируют массами и энергиями наравне, так как они связаны через уравнение E=mc².)

"Мы крайне удивились этому пику, но решили дальше изучать распад частиц Y(4260). И, как оказалось, не прогадали", — рассказывает Чжицин Лю (Zhiqing Liu), автор статьи об этом открытии, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Данных оказалось вполне достаточно, чтобы объявить об открытии новой частицы, которая получила название Z(3900).

"Учёные пытались изучить свойства одной необычной частицы, когда вдруг обнаружили совершенно новую, ещё более удивительную", — говорит физик Эрик Суонсон (Eric S. Swanson) из университета Питтсбурга, который не принимал участия в исследованиях.

Но исследователи пока не могут быть до конца уверенными в том, что это действительно одна частица, состоящая из четырёх кварков, и являющаяся частью новой формы материи. Поясним.

Во-первых, считалось, что частица Y(4260) состоит из двух кварков и дополнительного глюона, однако подтверждений этому пока не найдено. То есть сама исходная частица пока изучена плохо.

С другой стороны, в ходе эксперимента исследователи получили более 460 частиц Z(3900). Это является прямым доказательством того, что она действительно существует, а не является следствием каких-либо помех.

Судя по всему, эта частица обладает зарядом и содержит, как минимум, пару из очарованного кварка и его античастицы. Скорее всего, другие два кварка — это верхний и нижний антикварк. Всего их четыре.

"Мы никогда не видели ничего подобного. Ранее учёные могли только подозревать о существовании частицы из четырёх кварков, а эксперименты Belle и BESIII подтвердили её существование", — говорит Суонсон.

И всё же, у этого явления может быть несколько различных объяснений. Z(3900) может оказаться всего лишь парой двухкварковых частиц, которые взаимодействуют друг с другом так сильно, что проявляют свойства одной частицы из четырёх кварков. Такого "монстра" уже описывали теоретики. Его никогда не ловили, но дали название — "адронная молекула".

"Честно говоря, мне бы хотелось, чтобы Z(3900) оказалась адронной молекулой. Но она может представлять собой что угодно", — признаётся Лю.

Суонсон же считает, что у необычного явления может быть вполне прозаичное объяснение: Z(3900) может состоять всего из двух кварков, но взаимодействующих не слишком сильно, чтобы соединиться друг с другом.

В дальнейшем обе группы исследователей планируют создать множество частиц Z(3900), чтобы проследить за их распадом. Если окажется, что они распадаются так же, как и уже известные частицы, то все интересные версии о природе Z(3900) отпадут. Но, если физики заметят что-то необычное, то это будет очень громким открытием. Отчасти его можно будет сравнить с открытием нашумевшего бозона Хиггса.

"Мы надеемся начать проводить дальнейшие эксперименты уже в следующем году", — сообщил Лю в пресс-релизе.

Также по теме:
На Большом адронном коллайдере, возможно, получен новый тип материи 
Учёные обнаружили ранее неизвестную науке частицу 
Физики подтвердили, что в ЦЕРНе был открыт именно бозон Хиггса 
Учёные подтвердили, что размер протона меньше, чем считалось раньше