ДВА ОЧАРОВАННЫХ КВАРКА ВНУТРИ ОДНОГО БАРИОНА

0

01.08.2017 № 234 c.13 Борис Кербиков

Автор: 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 Ξ++ccΞcc++ 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. Ξ++ccΞcc++ → Λc+Κ–π+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 Ξ++ccΞcc++ 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 2/3, 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 Ξ+ccΞcc+, содержащего два очарованных кварка и d-кварк вместо u-кварка в барионе Ξ++ccΞcc++. Впоследствии, однако, это наблюдение не было подтверждено.
Кроме того, согласно данным SELEX, масса Ξ+ccΞcc+ 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 Ξ++ccΞcc++.
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.

СправкаЧастицы, взаимодействующие между собой посредством «сильных» сил и имеющие полуцелый спин, называются барионами. Все барионы построены из трёх кварков …

Кварк. Верхний кварк вместе с нижним кварком составляют протоны и нейтроны.

 

Иллюстрация: zink0000.narod.ru

http://trv-science.ru/2017/08/01/dva-ocharovannyx-quarka-vnutri-odnogo-bariona/

 

,

Поделиться.

Об авторе

Наука и Жизнь Израиля

Прокомментировать

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.