Два очарованных кварка внутри одного бариона


Борис Кербиков
Борис Кер­би­ков

На про­шед­шей в нача­ле июля в Вене­ции Евро­пей­ской кон­фе­рен­ции по физи­ке высо­ких энер­гий кол­ла­бо­ра­ция LHCb, рабо­та­ю­щая на Боль­шом адрон­ном кол­лай­де­ре в ЦЕРНе, объ­яви­ла об обна­ру­же­нии бари­о­на, име­ю­ще­го струк­ту­ру (ccu), т. е. состо­я­ще­го из двух тяже­лых оча­ро­ван­ных c-квар­ков и одно­го лег­ко­го (верх­не­го) u-квар­ка.

Мас­са ново­го бари­о­на, кото­рый по стан­дарт­ной тер­ми­но­ло­гии назы­ва­ет­ся $\Xi_{cc}^{++}$ состав­ля­ет 3621 МэВ, а элек­три­че­ский заряд равен двум. Таким обра­зом, новый бари­он почти в четы­ре раза тяже­лее про­то­на. Новая части­ца была обна­ру­же­на по сла­бо­му рас­па­ду на оча­ро­ван­ный гипе­рон, каон и два пио­на, т. е. $\Xi_{cc}^{++}$ → Λc+Κπ+π+.

Дока­за­тель­ством того, что рас­пад про­ис­хо­дит за счет мед­лен­но­го сла­бо­го вза­и­мо­дей­ствия, явля­ет­ся доста­точ­но длин­ный путь, кото­рый успе­ва­ет про­де­лать бари­он в экс­пе­ри­мен­таль­ной уста­нов­ке. Соглас­но тео­ре­ти­че­ским оцен­кам, вре­мя жиз­ни $\Xi_{cc}^{++}$ состав­ля­ет несколь­ко сотен фем­то­се­кунд. Ста­ти­сти­че­ская зна­чи­мость наблю­де­ния очень высо­ка, и суще­ство­ва­ние ново­го бари­о­на мож­но счи­тать твер­до уста­нов­лен­ным.

Чем это откры­тие инте­рес­но? Нач­нем с неко­то­рых напо­ми­на­ний. Оча­ро­ван­ный кварк ворвал­ся в физи­ку в резуль­та­те «ноябрь­ской рево­лю­ции» 1974 года, когда была откры­та J/ψ-части­ца, состо­я­щая из оча­ро­ван­но­го квар­ка и анти­квар­ка. Элек­три­че­ский заряд c-квар­ка состав­ля­ет 23, а голая мас­са — при­мер­но 1,27 ГэВ, т. е. c-кварк — тре­тий по мас­се сре­ди тяже­лых квар­ков c, b и t, но намно­го тяже­лее лег­ких u- и d-квар­ков и стран­но­го s-квар­ка.

Основ­ным объ­ек­том иссле­до­ва­ния кол­ла­бо­ра­ции LHCb явля­ют­ся имен­но тяже­лые квар­ки, отсю­да и при­став­ка b в назва­нии. Поэто­му неуди­ви­тель­но, что новый бари­он обна­ру­жи­ла имен­но эта кол­ла­бо­ра­ция. Как часто быва­ет, откры­тие име­ло неко­то­рую предыс­то­рию. В нача­ле 2000-х годов рабо­тав­шая в Лабо­ра­то­рии име­ни Фер­ми в США кол­ла­бо­ра­ция SELEX в пуб­ли­ка­ци­ях и докла­дах сооб­ща­ла о наблю­де­нии бари­о­на $\Xi_{cc}^{+}$, содер­жа­ще­го два оча­ро­ван­ных квар­ка и d-кварк вме­сто u-квар­ка в бари­оне $\Xi_{cc}^{++}$. Впо­след­ствии, одна­ко, это наблю­де­ние не было под­твер­жде­но.

Кро­ме того, соглас­но дан­ным SELEX, мас­са $\Xi_{cc}^{+}$ состав­ля­ла 3519 МэВ, т. е. при­мер­но на 100 МэВ мень­ше, чем мас­са бари­о­на, откры­то­го в ЦЕРНе. Может ли заме­на u-квар­ка на d-кварк при­ве­сти к столь зна­чи­тель­но­му изме­не­нию мас­сы? Ответ почти навер­ня­ка отри­ца­тель­ный — ибо в при­ро­де име­ет­ся, пусть и не абсо­лют­но стро­гая, изо­то­пи­че­ская инва­ри­ант­ность. Мас­сы про­то­на и ней­тро­на раз­ли­ча­ют­ся мень­ше чем на 1,5 МэВ. Поэто­му будем с инте­ре­сом ждать дан­ные LHCb по бари­о­ну (ccd) и стран­но­му бари­о­ну (ccs).

Теперь немно­го о тео­рии. Факт суще­ство­ва­ния бари­о­на с дву­мя оча­ро­ван­ны­ми c-квар­ка­ми, и даже с дву­мя пре­лест­ны­ми b-квар­ка­ми, уди­ви­тель­ным не явля­ет­ся.

Более того, рас­че­ты его пред­по­ла­га­е­мой мас­сы нача­ли пуб­ли­ко­вать­ся еще в про­шлом сто­ле­тии. Вопрос в том, насколь­ко такие рас­че­ты обос­но­ван­ны. Нау­ка о вза­и­мо­дей­ствии квар­ков назы­ва­ет­ся кван­то­вой хро­мо­ди­на­ми­кой (КХД). Вме­сте с элек­тро­сла­бой тео­ри­ей она обра­зу­ет Стан­дарт­ную модель, за рам­ки кото­рой вый­ти пока не уда­ет­ся.

В КХД есть два основ­ных нере­шен­ных вза­и­мо­свя­зан­ных вопро­са — это тео­рия невы­ле­та­ния и вычис­ле­ние спек­тра масс адро­нов. Как устро­е­но силь­ное вза­и­мо­дей­ствие на рас­сто­я­ни­ях поряд­ка ради­у­сов адро­нов, мы пока пло­хо пони­ма­ем. Поэто­му если экс­пе­ри­мен­та­то­ры опре­де­ли­ли мас­су ново­го бари­о­на с точ­но­стью при­мер­но 1 МэВ, то тео­ре­ти­ки вряд ли могут рас­счи­ты­вать на точ­ность луч­ше 50 МэВ. Полу­чен­ное на опы­те зна­че­ние мас­сы поз­во­ля­ет кри­ти­че­ски оце­нить опуб­ли­ко­ван­ные тео­ре­ти­че­ские рас­че­ты. Общим для всех тео­ре­ти­че­ских под­хо­дов явля­ет­ся пред­став­ле­ние о том, как рас­пре­де­ле­ны квар­ки внут­ри бари­о­на $\Xi_{cc}^{++}$.

Два оча­ро­ван­ных квар­ка груп­пи­ру­ют­ся в ком­пакт­ном обра­зо­ва­нии — диквар­ке, а лег­кий кварк рас­по­ла­га­ет­ся на неко­то­ром уда­ле­нии. Томо­гра­фи­че­ское изоб­ра­же­ние подоб­ной внут­рен­ней струк­ту­ры уда­лось полу­чить кра­си­вым спо­со­бом, идея кото­ро­го при­над­ле­жит Фер­ми.

Дело в том, что урав­не­ние Шрё­дин­ге­ра в мни­мом вре­ме­ни сов­па­да­ет с урав­не­ни­ем диф­фу­зии. Поэто­му мож­но поме­стить три квар­ка в неко­то­рую проб­ную кон­фи­гу­ра­цию и затем дать им дол­го диф­фун­ди­ро­вать в задан­ном поле вза­и­мо­дей­ствия. В ито­ге вол­но­вая функ­ция квар­ков при­ня­ла опи­сан­ную выше фор­му. С точ­ки зре­ния цве­то­вой струк­ту­ры дикварк выгля­дит как анти­кварк, поэто­му вме­сте с лег­ким квар­ком он обра­зу­ет бес­цвет­ное состо­я­ние, белый бари­он.

Из суще­ство­ва­ния и свойств ново­го бари­о­на тео­ре­ти­ки нача­ли извле­кать пер­вые уро­ки. В част­но­сти, пред­ска­зы­ва­ет­ся, что гипо­те­ти­че­ский тет­ра­кварк (bbud) с дву­мя пре­лест­ны­ми тяже­лы­ми квар­ка­ми будет ста­биль­ным отно­си­тель­но силь­но­го и элек­тро­маг­нит­но­го рас­па­дов.

Борис Кер­би­ков,
докт. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. ИТЭФ,
ст. науч. сотр. ФИАН, про­фес­сор МФТИ

Экс­пе­ри­мен­таль­ная рабо­та кол­ла­бо­ра­ции LHCb была опуб­ли­ко­ва­на в архи­ве пре­прин­тов 6 июля, arXiv:1707.01621.

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
2 Цепочка комментария
1 Ответы по цепочке
0 Подписки
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
2 Авторы комментариев
AlexAlex Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
Уведомление о
Alex
Alex

Инте­рес­но конеч­но, навер­ное, для широ­ких кру­гов узких спе­ци­а­ли­стов…
Нашли оче­ред­ной горб в функ­ции рас­пре­де­ле­ния облом­ков про­то­нов. Ну и что?
Неуже­ли стан­дарт­ная модель – это всё, и нет ниче­го за её пре­де­ла­ми?

Alex
Alex

Счас про­ве­рим, могут ли тут сов­па­дать ники…

Alex
Alex

Одна­ко без­об­ра­зие.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: