|
Экзотическая частица, которая изменит современную физику
|
|
|
|
Анализируя данные с детектора LHCb, установленного на Большом адронном коллайдере, ученые обнаружили надежные свидетельства существования уникальной частицы — дважды открыто очарованного тетракварка. И как бы диковинно ни звучало ее название для не знакомого со Стандартной моделью человека, физикам оно сообщает еще более странную информацию: похоже, современные научные представления об устройстве мира опять придется изрядно перетрясти.
|
|
|
|
Курс физики в общеобразовательной школе дает настолько же стройную, насколько и неполную картину микромира. Каждый интересующийся естественными науками человек рано или поздно сталкивался с этим шоком — оказывается, протонами, нейтронами, электронами, фотонами и нейтрино все не ограничивается. Есть еще кварки, лептоны, бозоны, а «привычные» нам субатомные частицы вообще представляют собой «суп» из гораздо более мелких элементов. Ну, кроме электронов и фотонов — с ними все, как и было, они неделимы.
|
|
|
Почти вся материя вокруг нас состоит из барионов, то есть тяжелых частиц: стабильных нейтронов и протонов. Они, в свою очередь, устроены сравнительно просто— по три кварка в каждом. Существуют еще нестабильные мезоны, составленные из пары кварк-антикварк, но в рамках этой истории они не так важны. Если уж совсем углубляться, то эта картина все равно не полная, поскольку относительно протона есть несколько иная информация. В любом случае, насчет роли кварков физики давно определились, присудив им звание фундаментальных «кирпичиков» мироздания, из которых «набираются» все крупные частицы. И уж это точно доказано с достаточной степенью достоверности (а вот чем они сами образованы — вопрос долгих и пока никак не приближающихся к разрешению споров).
|
|
|
|
Проблема в следующем. Нет таких законов природы, которые запрещали бы кваркам собираться не по два или три, а в больших количествах. Подобные экзотические частицы были предсказаны сразу несколькими физиками-теоретиками еще в 1960-е годы. Однако, из-за того, что продвинутыми средствами фильтрации шума на экспериментальных установках ученые до недавнего времени не располагали, обнаружить их не получалось. Ситуация кардинально изменилась в XXI веке на фоне развития компьютерной техники. И уже с 2003 года открытия посыпались, как из рога изобилия: на сегодняшний день известно несколько десятков тетракварков (четыре кварка) и пара пентакварков (пять кварков).
|
|
|
|
Все эти экзотические частицы объединяет сразу несколько общих свойств. Во-первых, они крайне нестабильны и время их жизни исчисляется зептосекундами (секстиллионными долями секунды). Во-вторых, они хоть и не противоречат Стандартной модели, но при этом в нее не вписываются. Иными словами, их роль совершенно непонятна, а существование пентакварков в природе и вовсе под вопросом (их получали только намеренно в ходе специальных экспериментов). Но недавно обнаруженный дважды открыто очарованный тетракварк даже на этом необычном фоне умудрился выделиться.
|
|
|
|
Об открытии необычного тетракварка на Конференции по физике высоких энергий Европейского физического общества (EPS-HEP) сообщили специалисты, работающие с экспериментом ЦЕРН LHCb. Это самый маленький из главных детекторов Большого адронного коллайдера (БАК). Частицу обнаружили в архивных данных 2011-18 годов, когда просеивали их в ходе рутинного поиска «пропущенных» открытий. К сожалению, если какое-то явление заранее не предсказано теоретиками (как было с бозоном Хиггса и планетой Нептун), для его выявления требуется обработка огромного объема информации буквально «на удачу». Ранее таким же методом уже были найдены несколько десятков различных частиц.
|
|
|
|
Отсев шума с записей о миллионах проведенных на БАКе столкновений частиц позволил с большой уверенностью идентифицировать мезон Tcc+, тот самый дважды открыто очарованный тетракварк. От всех прочих подобных частиц он разительно отличается составом. В нем соединены два тяжелых, почти равных массе протона, c-кварка (очарованных), а также легкие u-антикварк (верхний) и d-антикварк (нижний). Эпитеты в скобках означают «ароматы» частиц, то есть определенные квантовые числа (параметры), характеризующие их фундаментальные свойства.
|
|
|
|
Странность здесь в следующем: никогда ранее не наблюдались частицы с открытым очарованием, считалось, что c-кварк должен уравновешиваться c-антикварком. Но Tcc+ сломал не только этот шаблон, он еще и живет невероятно долго — единицы аттосекунд, что на два-три порядка выше, чем время распада других экзотических адронов. Отличная новость заключается в том, что имея на руках две с лишним сотни событий-кандидатов на обнаружение Tcc+ сотрудники ЦЕРН описали четкие критерии, по которым его можно засечь. Частицы, на которые распадается этот тетракварк сравнительно легко детектируются, поэтому подтвердить открытие у команд, работающих на других ускорителях не составит труда. К тому же масса Tcc+ достаточно низка, чтобы он образовывался на установках с гораздо меньшими рабочими энергиями, чем БАК.
|
|
|
|
Сам факт существования Tcc+ ставит перед физиками еще один вопрос — а что, если его структура не уникальна и является «шаблоном» для других подобных частиц? Тогда вполне реально существование мезона не с двумя очарованными кварками, а с одним или парой еще более тяжелых b-кварков (прелестных). Некоторые из таких частиц совершенно ломают картину мира, поскольку они должны «жить» еще минимум на порядок-два дольше. Это означает, что более тяжелые «родственники» Tcc+ смогут с большей вероятностью взаимодействовать с другими окружающими частицами. Таким образом, у них может быть своя роль во вселенной не только в качестве побочных продуктов субатомных взаимодействий.
|
|
|
|
Помимо всего вышеописанного Tcc+ может похвастаться целым спектром особенностей, которые научно-популярным языком объяснить архисложно. Среди них, например, есть подозрительная близость массы дважды открыто очарованного тетракварка и пары D-мезонов. Вдобавок к этому прояснить внутреннее строение Tcc+ в должной степени не удалось. Непонятно, представляет ли он собой «молекулу» из двух мезонов, то есть пары структур из тяжелого кварка и легкого антикварка, либо напоминает атом, где тяжелые кварки расположились компактно в центре и окружены облаком суперпозиций антикварков.
|
|
|
|
Одно ясно точно — новость о Tcc+ вызовет новый виток изысканий физиков и поиск других похожих частиц. Его обнаружение нельзя назвать совсем уж фантастической сенсацией уровня открытия бозона Хиггса, но ситуация все равно интригующая и с далеко идущими последствиями. Как минимум, это событие веско и довольно прямо намекает на мысль, о которой ученые давно задумывались: Стандартная модель ненамного более полная, чем квантово-механическая модель атома. Она работает, но только на своем уровне, а реальность гораздо сложнее, так что физикам еще копать и копать. Ну а нам — следить за грядущими великими революциями в науке, которые предвещают вот такие прорывы.
|
|
|
|
Источник
|
