Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис. 1. Два возможных варианта устройства пентакварка со скрытым очарованием. Изображение с сайта home.web.cern.ch
Рис. 2. Вверху: возможные пути трехчастичного распада Λb-бариона. Внизу: кварковые диаграммы двух вариантов распада. Изображение с сайта lhcb-public.web.cern.ch
Рис. 3. Распределение числа событий по инвариантной массе Kp (слева) и J/ψp (справа). Черные точки — данные, красные точки — наилучшее приближение, заштрихованных гистограммы — два обнаруженных пентакварка, незаштрихованные гистограммы — вклады многочисленных известных резонансов Λ*. Изображение из обсуждаемой статьи
Рис. 4. Диаграмма Аргана для двух резонансов. Изображение из обсуждаемой статьи

Открыт адрон нового типа — пентакварк со скрытым очарованием

Ключевые слова:  LHCb Collaboration, Адрон нового типа, Пентакварк, периодика, Фазовый анализ

Автор(ы): Игорь Иванов

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

17 июля 2015

Коллаборация LHCb в своем препринте сообщает об обнаружении сразу двух адронов нового типа — пентакварков со скрытым очарованием. Обе частицы обнаружены при изучении распада Λ0b-бариона на тройку адронов J/ψK–p. Статистическая значимость находки исключительно велика, 9σ и 12σ, а во втором случае резонансная природа структуры надежно подтверждена фазовым анализом. Это исследование резко активизирует уже притихшее было направление исследований в адронной спектроскопии — физику пентакварков.

Любой рассказ об устройстве элементарных частиц начинается с описания кваркового устройства адронов: есть мезоны, состоящие из кварк-антикварковых пар [qq¯], и барионы, содержащие по три кварка [qqq]. Комбинируя пять типов кварков, способных образовывать адроны, q=u,d,s,c,b, и не забывая при этом о возбужденных состояниях, можно получить огромное число адронов с разнообразными свойствами. Однако редко когда поднимается вопрос о том, почему природа должна ограничиваться только этими комбинациями. В рамках наивной кварковой модели такого ограничения действительно нет. Она вполне годится и для многокварковых состояний: тетракварков [qqq¯q¯], пентакварков [qqqqq¯] и других. Но в силу каких-то причин природа такие многокварковые комбинации «не любит», и очень долго они физикам не встречались в эксперименте. Аккуратный численный расчет свойств адронов на суперкомпьютерах (такой подход называется КХД на решетке) предсказывает существование многокварковых адронов, но не уточняет, как их следует искать в эксперименте. Вдобавок, физика адронов печально знаменита огромным количеством плохо вычисляемых эффектов. Поэтому разобраться, где в экспериментальных данных видно настоящее многокварковое состояние, а где — один или несколько обычных адронных эффектов, исключительно сложно.

Наиболее тяжелой для исследования и интерпретации является физика легких адронов, состоящих только из u, d, и s-кварков. Печально знаменита в этом смысле история десятилетней давности с сенсационным открытием пентакварка Θ(1540) и не менее сенсационным его закрытием. Теоретически предсказанный в конце 90-х на основе солитонной модели, он был обнаружен сразу десятком экспериментов в 2003–2004 годах, но затем под натиском новых, более точных данных открытие было отозвано (см. подробнее в заметке В поисках пентакварка одного из авторов теоретического предсказания). Описание ситуации по состоянию на 2012 год можно найти в статье On the conundrum of the pentaquark; подробный анализ экспериментальных данных по состоянию на 2014 год дан в работе Present status on experimental search for pentaquarks.

В 2000-е годы, параллельно с пентакварковым триллером, бурно развивалась и деятельность по поиску тетракварков. Она оказалась куда более успешной; сейчас известны уже десятки мезонов с подозрением на многокварковость, а в некоторых случаях это уже удалось надежно доказать. Введение в эту область исследования и подробный разбор недавнего примера см. в нашей новости Эксперимент LHCb окончательно доказал реальность экзотического мезона Z(4430).

Поиски тетракварков увенчались успехом потому, что физики сфокусировали свои усилия не на легких, а на тяжелых мезонах, содержащих c- и b-кварки. Частица Z(4430), упомянутая выше, обладает кварковым составом cc¯ud¯. Она тяжелая, поскольку содержит c-анти-c-пару, но при этом заряженная, а значит, в кварк-антикварковую схему не вписывается. Поэтому возникает идея поискать и столь же тяжелые пентакварки.

Результат именно такого анализа и представлен в новой статье коллаборации LHCb. Для этого из всей статистики, накопленной детектором за время сеанса LHC Run 1, были отобраны 26 тысяч событий рождения и распада тяжелого бариона Λ0bJ/ψKp. Как и любой трехчастичный адронный распад, он может идти разными способами (см. рис. 2). Самое важное — что физики умеют различать эти промежуточные варианты распада с помощью диаграммы Далица. Для того чтобы обнаружить наличие промежуточного этапа в трехчастичном распаде, они строят распределение по инвариантной массе пары частиц и ищут на ней всплески. Интерпретация всплесков — дело тонкое (вновь сошлемся на запутанную историю с тетракварком Z(4430)). Однако если удастся доказать, что никакими известными частицами или кинематическими адронными эффектами этот всплеск не опишешь, то делается вывод об открытии новой структуры (слово «частица» тут пока не произносится!).

Коллаборация LHCb аккуратно проделала эту работу. Для каон-протонной пары была обнаружена сложная структура (рис. 3, слева), но она вполне хорошо объяснилась совокупным эффектом 14 известных Λ*-резонансов. Для другой пары частиц, J/ψ-мезон плюс протон, распределение тоже показало сильный всплеск, но с ним эти резонансы справиться не смогли. Объяснить такое поведение удалось, добавив в рассмотрение сразу два новых, неизвестных ранее резонанса. Один из них, Pc(4450)+, чуть тяжелее и намного уже (его ширина — около 40 МэВ), другой, Pc(4380)+, полегче и куда шире (ширина 200 МэВ). Нельзя сказать, что описание данных получилось совсем уж идеальным (обратите внимание на расхождения между черными и красными точками), но введения новых резонансных структур пока что не требуется.

Новые частицы распадаются на J/ψp за счет сильного взаимодействия — об этом говорят их достаточно большие ширины распада. Значит, кварковые превращения в процессе распада не происходит, и их минимальный кварковый состав получается uudcc¯. Перед нами — пентакварки со скрытым очарованием (так физики называют ситуацию, когда внутри адрона есть c-анти-c-пара).

Обращает на себя тот факт, что, в отличие от истории с легким пентакварком, здесь коллаборация набрала настолько большую статистику, что никаких сомнений в наличии новых структур не осталось: их статистическая значимость составляет 12 и 9 стандартных отклонений, соответственно. Даже по строгим критериям, принятым в физике частиц, это более чем достаточно для заявления о надежном открытии. Более того, большая статистика позволила внимательно изучить угловые распределения продуктов распада и вывести отсюда спин и четность этих двух пентакварков, если их действительно считать полноправными частицами. Наилучшее описание соответствует спину 3/2 и отрицательной четности для более широкого и легкого состояния и спину 5/2 и положительной четности для узкого резонанса потяжелее. Эта информация будет принципиально важна для теоретиков, когда они начнут описывать устройство этих резонансов в рамках различных теоретических моделей.

Важным этапом анализа стала проверка резонансной природы этих структур. Делается это с помощью диаграммы Аргана (пояснения см. в статье Ф. Никитиу Методы определения резонансов в фазовом анализе // ЭЧАЯ 12, 805 (1981)). Для этого физики отделяют амплитуду рождения в нужном спиновом канале от других амплитуд и по их интерференции находят фазу изучаемой амплитуды. Если теперь пройти через весь всплеск на распределении по инвариантным массам, то для настоящего резонанса фаза опишет красивую петлю, а для посторонних эффектов — нет. В случае узкого резонанса такая петля действительно вырисовывается (рис. 4, слева). Это окончательно доказывает, что перед нами — не какая-то причудливая игра адронных эффектов, а настоящая новая частица. Для более широкого резонанса картина оказалась не столь красивой, поэтому относительно его интерпретации еще остаются сомнения.

Что касается теоретического описания обнаруженных пентакварков, то здесь открывается целый спектр возможностей, причем для такого кваркового состава они до сих пор не изучались. Можно с полным правом сказать, что LHCb застала всех теоретиков в этой области врасплох. Это могут быть «адронные молекулы», в которых протон и J/ψ мезон просто держатся какое-то время вместе, либо настоящее пятикварковое состояние. Во втором варианте группировка кварков тоже может быть разной: дикварк + дикварк + антикварк, дикварк + трикварк и другие. Такие варианты уже обсуждались теоретиками для очарованных пентакварков с одним-единственным c-кварком, но, поскольку такие частицы еще не открыты, полемика оставалась вещью в себе. Сейчас эта область адронной физики, безусловно, резко активизируется; собственно, две первые теоретические статьи появились в архиве е-принтов буквально на следующий день после экспериментального сообщения LHCb.

Источник: LHCb Collaboration. Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λb0J/ψKp decays // е-принт arXiv:1507.03414 [hep-ex] (13 июля 2015).



В статье использованы материалы: Элементы


Средний балл: 10.0 (голосов 1)

 


Комментарии

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

День Святого Патрика 2015
День Святого Патрика 2015

Приглашение на вебинар «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»
НТ-МДТ Спектрум Инструментс приглашает Вас принять участие в бесплатном вебинаре «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»

Наносистемы: физика, химия, математика (2019, том 10, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume10/10-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии,
Уважаемые коллеги! Приглашаем вас принять участие в работе XXI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, который состоится с 9 по 13 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге и станет одним из основных мероприятий Международного года Периодической таблицы химических элементов, провозглашённого ООН в декабре 2017 г.
Проводится под эгидой Международного союза по теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Микроэлементарно, Ватсон: как микроэлементы действуют на организм
Алексей Тиньков
Как на нас воздействуют кадмий, ртуть, цинк, медь и другие элементы таблицы Менделеева рассказал сотрудник кафедры медицинской элементологии РУДН Алексей Тиньков в интервью Indicator.Ru

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2019 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.