«Что такое пентакварк? Уже из самого названия ясно, что речь идет о частице, состоящей из пяти кварков», — начинает свой рассказ кандидат физико-математических наук Павел Кроковный, старший преподаватель научный сотрудник ИЯФ СО РАН и НГУ. — Напомним, что наш мир состоит из молекул, молекулы из атомов, атом — из ядра и вращающего вокруг него электронов, а ядро из протонов и нейтронов. Последние состоят из кварков. Кварк — это «кирпичик», составляющая всех элементарных частиц.

Согласно современным представлениям, существует шесть кварков. Все вещество вокруг нас: воздух, деревья, животные, камни, вода, звезды и т.д — состоит из u- и d-кварков, названия которых происходят от английских слов up и down. Их именуют легкими кварками или кварками первого поколения.

«Протоны и нейтроны — это различные комбинации этих кварков. Например, в протоне два u — кварка и один d-кварк (uud), в нейтроне два d-кварка и один u-кварк (udd). Однако кроме обычного вещества, которое мы вокруг себя видим, существуют и более экзотические, более тяжелые кварки. Это s- и с- кварки (strange и charmed) и t и b-кварки (top и beauty).Чтобы их породить, нужны космические лучи, которые летят через атмосферу с большой энергией, или ускоритель».

Большой адронный коллайдер (БАК, LHC) сегодня является самым мощным ускорителем частиц. С его помощью пучки протонов разгоняют до скоростей, близких к скорости света, и сталкивают друг с другом. Столкновения порождают множество других частиц, которые могут быть получены только таким образом. Каждое из них регистрируется в детекторе, где измеряются параметры разлетевшихся частиц, их импульсы, энергии и т.д.

«Когда взаимодействуют протоны, может рождаться практически все, что угодно. Вплоть до бозона Хиггса, ради которого и строили коллайдер», — отмечает Павел Кроковный.

Прелестный барион

«Наш эксперимент, в ходе которого был обнаружен пентакварк, называется LHCb. Буква «b» в названии коллайдера означает b-кварк. Изучение физики «прелестного» кварка, так его называют соответствии с переводом, — одна из задач эксперимента. Решая ее, на коллайдере исследовали распад так называемого Λb-бариона (читается как lambda b- ) в конечное состояние из 3 частиц: J/psi мезон, протон и K-мезон (каон). Барион — частица, состоящая из трех кварков, подобно протону или нейтрону. Отличие заключается в том, что в Λb-барионе вместо одного из u-кварков находится прелестный, т.е. b-кварк. Анализ продуктов распада бариона показал, что кроме обычных и хорошо известных частиц, существовала некая новая, промежуточная — пентакварк».

«Почему мы так уверены, что в составе новой частицы было именно пять кварков? Потому что в итоге произошел распад на две частицы: протон, а протоны состоят из трех кварков, и J/ψ-мезон (читается J-psi), состоящий из двух кварков: с-кварка и антикварка (базовой составляющей антиматерии). Никак нельзя «придумать» частицу, состоявшую из трех или двух кварков, которая бы давала именно такие продукты распада. Единственный вариант — пентакварк».

Итак, пентакварк состоит из двух u-, одного d-, одного c-кварков и одного с-антикварка. В ЦЕРНе особо отмечают, что он является не просто новой частицей. По словам Гая Уилкинсона, официального представителя коллаборации LHCb, пентакварк представляет собой способ упаковки кварков, обычно составляющих протоны и нейтроны, в частицу, которую не наблюдали за все 50 лет экспериментов.

Firstly, very exited!

В эксперименте участвовало множество ученых из разных стран. Была проделана гигантская работа, чтобы «придумать», «запустить» и поддерживать коллайдер в рабочем состоянии. Список участников коллаборации LHCb — авторов статьи о пентакварка, которую планируют опубликовать в журнале Physical Review Letters, насчитывает около двухсот человек. Все они в той или иной мере принимали участие в проделанной работе. Россия представлена восемью институтами и двумя университетами. В частности сотрудник ИЯФ СО РАН и НГУ, китайский физик Шухао Юань был среди ученых, анализировавших распад Λb-бариона, который и привел их к указанию на существование пентакварка.

«Я, разумеется вместе с группой других членов коллаборации LHCb, делал первые измерения параметров распада Λb-бариона, — вспоминает он. — Кроме того, мы искали пентакварк в других процессах. Некоторые намеки на его появление мы обнаружили и при других вариантах распада Λb-бариона. Этот результат подтверждает наши доводы о существовании пентакварка. Работа по этой теме вскоре будет опубликована».

«Когда мы в итоге пришли к выводу о существовании пентакварка, я был впечатлен (firstly, very exited)! — рассказывает Шухао Юань. — Но потом остыл, успокоился. Нужно было провести множество тестов, чтобы быть уверенным: речь действительно идет о пентакварке».

По словам ученого, открытие новой частицы подтверждает разработанную физиками теорию Стандартной модели — теорию строения и взаимодействий элементарных частиц: «Большая часть вселенной состоит из мезонов (двухкварковых частиц) и барионов (трехкварковых частиц). Но в рамках Стандартной модели существование пятикварковых частиц предсказывалось еще несколько десятилетий назад. Ученые искали их в течение многих лет. Сегодня мы нашли пентакварк или, скажем так, обнаружили наиболее вероятного кандидата на эту роль. Проделанная нами работа подтверждает, что Стандартная модель успешно применяется для понимания устройства мира. Кроме того, открытие пентакварка — это успех LHCb эксперимента».

Теоретики действительно предсказывали его существование и раньше. Необходимо отметить, что в начале 2000—х гг. разные группы ученых сообщали об обнаружении кандидатов в пентакварки, однако, впоследствии данные не подтверждались. На этот раз результаты таковы, что физики не сомневаются — пентакварк «попался». Теперь, когда известна вероятность рождения новой частицы, ее масса и другие характеристики —полученная экспериментальная информация поможет изучить особенности «упаковки» кварков и в дальнейшем сузить круг существующих теоретических моделей, которых в физике немало.