LHCb-эксперимент в ЦЕРНе сообщает о наблюдении экзотических пятикварковых частиц

Эксперимент LHCb в ЦЕРНе на БАК зафиксировал открытие класса частиц, известных как пентакварки. Сотрудничество представило статью, сообщающую об этом, в журнал Physical Review Letters.

«Пентакварк это не совсем новая частица, - сказал представитель LHCb Гай Уилкинсон (Guy Wilkinson). – Это способ агрегирования кварков, основных составляющих обычных протонов и нейтронов, который никогда ранее не наблюдался в течение пятидесяти лет экспериментальных поисков. Изучение его свойств может позволить нам лучше понять, как образуется обычное вещество, протоны и нейтроны, из которых все мы сделаны».

Наше понимание структуры материи было изменено в 1964 г., когда американский физик Мюррей Гелл-Манн предложил, что категория частиц, известных как барионы, которые включают в себя протоны и нейтроны, состоит из трех объектов с дробными зарядами, называемых кварками, и что другая категория, мезоны, сформированы из пары кварк-антикварк. Гелл-Манн был удостоен Нобелевской премии по физике за эту работу в 1969 г. Модель кварков допускает существование других кварковых композитных состояний, таких как пентакварки, состоящие из четырех кварков и антикварка. До сих пор, однако, убедительных доказательств существования пентакварков не было.

Исследователи в эксперименте LHCb искали пентакварковые состояния, исследуя распад бариона, известного как Λb (лямбда-б) на три другие частицы, J/ψ (J-пси), протона и заряженного каона. Изучение спектра масс частиц J/ψ и протонов показало, что при их рождении иногда присутствуют промежуточные состояния. Они были названы Pc(4450)+ и Рc(4380)+, ранее четко видимые как пик в данных, причем последняя требуется, чтобы полностью описать данные.

«Пользуясь преимуществами большого набора данных, предоставленного LHC, и отличной точностью нашего детектора, мы рассмотрели все возможности для этих сигналов, и пришли к выводу, что они могут быть объяснены только с помощью пентакварковых состояний, - сказал физик Томаш Скварницкий (Tomasz Skwarnicki) из Сиракузского университета. – Более точно, эти состояния должны быть сформированы из двух up-кварков, одного down-кварка, одного очарованного кварка и одного анти-очарованного кварка».

Ранее эксперименты, в которых искали пентакварки, были безрезультативными. Эксперимент LHCb отличается тем, что он был в состоянии искать пентакварки с многих ракурсов, и все они указывали на один вывод. Следующим шагом в анализе будет изучение того, как кварки связываются в пентакварки.

«Кварки могут быть тесно связаны или они могут быть слабо связаны в своего рода мезон-барионную молекулу, в которой мезон и барион чувствуют остаточное сильное взаимодействие, похожее на то, что связывает протоны и нейтроны при образовании ядра», - сказал физик Лимин Чжан (Liming Zhang) из Университета Цинхуа.

Чтобы различать эти возможности и увидеть, чему еще пентакварки могут нас научить, потребуются дополнительные исследования. Новые данные, которые будет собирать эксперимент LHCb на LHC запуск 2, позволят добиться прогресса в этих вопросах.

Иллюстрация возможного расположения кварков в пентакварках, которые обнаружил эксперимент LHCb. Пять кварков могут быть тесно связаны (внизу). Они также могут быть собраны в мезон (один кварк и один антикварк) и в барион (три кварка), слабо связанные друг с другом (вверху)