Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) сообщила об открытии нового экзотического класса частиц — пентакварков. Их удалось обнаружить с помощью детектора LHCb в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере.

«Пентакварк — это не просто новая частица, — сказал представитель LHCb Гай Вилкинсон (Guy Wilkinson). — Она представляет собой способ собрать вместе кварки, то есть фундаментальные составляющие обычных протонов и нейтронов, в упорядоченную структуру, которая никогда прежде не наблюдалась более чем за полвека экспериментов. Изучение её свойств может помочь нам лучше понять, как организована обычная материя, протоны и нейтроны, из которых мы все состоим».

Важный шаг к открытию пентакварков был сделан 50 лет назад, когда американский физик Марри Гелл-Ман в возрасте 23 лет опубликовал свою основополагающую работу по странности и очарованию элементарных частиц. Именно он в 1964 году первым постулировал кварковую модель элементарных частиц. Согласно его модели, вводилось семейство частиц под названием барионы, состоящих из трёх кварков.

После этого выдвигались теории, что существует класс барионов не из трёх, а из пяти кварков. Первыми теоретически предсказали существование пентакварков российские учёные Д. И. Дьяконов, М. В. Поляков и В. Ю. Петров из Петербургского института ядерной физики в 1997 году.

Но существование этих частиц никак не удавалось доказать. До сегодняшнего дня.

Как сказано в пресс-релизе ЦЕРН, участники группы LHCb искали признаки наличия пентакварков, изучая распад бариона, известного как Λ_b на три другие частицы: J/ψ-, протон и заряжённый каон. Изучение набора значений масс J/ψ и протона показало, что при их образовании существует некий промежуточный этап, то есть промежуточные состояния вещества. Их назвали P_c(4450)⁺ и P_c(4380)⁺.

Первый был чётко виден на графиках, а существование второго требовалось, чтобы полностью объяснить экспериментальные данные. Эти частицы обладают очень большой массой — около 4,4–4,5 тысячи мегаэлектронвольт, что примерно в четыре-пять раз больше, чем аналогичный показатель для протонов и нейтронов.

В результате проведения сотен экспериментов было собрано огромное количество экспериментальных данных, что и позволило выявить закономерность. Естественно, дата-майнинг проводили на суперкомпьютерах. В итоге удалось получить результат со статистической достоверностью открытия девять сигма, чего вполне достаточно для констатации открытия.

«Благодаря большому объёму данных, собранных на Большом адронном коллайдере и великолепной точности нашего детектора мы проверили все возможности объяснить эти сигналы и пришли к выводу, что их можно объяснить только пентакварковыми состояниями, — говорит физик LHCb Томаш Скварницки (Tomasz Skwarnicki) из Сиракузского университета. — Точнее, промежуточное состояние должно быть сформировано из двух верхних кварков (u-кварк), одного нижнего кварка (d-кварк), одного очарованного кварка (c-кварк) и одного очарованного антикварка».

Сейчас требуется провести дополнительные эксперименты и проверить, насколько прочны связи кварков в пентакварках.

Научная работа с результатами эксперимента опубликована на arXiv.org, дополнительная информация размещена на сайте LHCb.