Николай Никитин, НИИЯФ МГУ
В последние месяцы среди экспериментальных группразвернулась настоящая «гонка престижа». После сообщения японскойколлаборации LEPS об открытии первого пятикваркового состояния (эту новость уженесколько раз доступно пересказывали в русскоязычном секторе Интернет,например, в популярных заметках [1], [2] и [3]), многие экспериментальныегруппы принялись перепроверять свои данные на предмет обнаружения пентакварка />или его собратьев по антидекуплету, существованиекоторого было предсказано в теоретической работе [4]. В предисловии и следующемза ним переводе из международного журнала по физике высоких энергий «CERNCourier» рассказывается о последних экспериментальных открытиях на путиизучения пентакварков.
Из множества вопросов, которые возникают у людей,впервые заинтересовавшихся пентакварками, можно выделить три основных.
Первый: чем интересны пятикварковые состояния? Следуетсразу подчеркнуть, что существование пентакварков не переворачивает современнуюкартину мира и не противоречит принятой на сегодняшний день теории элементарныхчастиц — так называемой Стандартной Модели (СМ), которая включает в себякалибровочную теорию электрослабых взаимодействий Глэшоу-Вайнберга-Салама икалибровочную теорию сильных взаимодействий — Квантовую хромодинамику (КХД).Более того, предсказание существования антидекуплета пентакварков являетсяпрямым следствием приближенной SU(3)-симметрии сильных взаимодействий, котораявозникает в КХД, если считать, что массы трех самых легких кварков u, d и sпримерно одинаковы по сравнению с характерным адронным масштабом ~1 ГэВ.
Подобная SU(3) массовая симметрия является прямымобобщением SU(2) массовой симметрии сильных взаимодействий (изотопическойсимметрии), когда одинаковыми предполагаются только массы u- и d-кварков.Поскольку конституентные массы u- и d-кварков численно примерно равны междусобой, а масса конституентного s-кварка больше примерно в три раза, тоизотопическая симметрия в природе реализуется с гораздо большей точностью, чеммассовая SU(3)-симметрия.
Стоит подчеркнуть, что обсуждаемую выше ПРИБЛИЖЕННУЮSU(3)-симметрию сильных взаимодействий ни в коем случае нельзя путать с ТОЧНОЙцветовой SU(3)-симметрией сильных взаимодействий. Хотя, с точки зренияматематического аппарата теории групп, эти две симметрии задаются при помощиодинаковых математических преобразований, но, с точки зрения физики, ихпроисхождение имеет совершенно различную природу. Поэтому разную природу истепень предсказательной точности имеют следствия существования этих двухSU(3)-симметрий сильных взаимодействий. Студентам-физикам старших курсов ичитателям с высшим образованием, более подробно заинтересовавшимся даннымвопросом, для изучения SU(3)-симметрий сильных взаимодействий «не отходяот компьютера» можно рекомендовать курс лекций [14].
Интерес ученых к пентакваркам можно сравнить с работоймастера-гончара, который уже вылепил кувшин для воды, а теперь добиваетсяидеальной формы его стенок, горлышка и ручки. Ученые тоже имеют в своем распоряжении«кувшин для описания сильных взаимодействий» — Квантовуюхромодинамику, с момента создания которой прошло уже более 30 лет. КХД даетмножество предсказаний, в том числе предсказание о возможности существования вприроде состояний с четырьмя кварками и одним антикварком (именно такиесостояния получили названия «пентакварк») и, например, абсолютнойневозможности состояний с двумя кварками и одним антикварком. До недавнеговремени ни те, ни другие состояния не наблюдались. В настоящее время«разрешенные» пентакварки, по всей видимости, наблюдаются внескольких экспериментах, а принципиально невозможные с точки зрения КХДдвукварково-одноантикварковые состояния по-прежнему не открыты.
Таким образом, наблюдение пентакварков позволилоученым дополнительно подтвердить правильность КХД и получить новые данные дляболее детального исследования сильных взаимодействий, иными словами довести досовершенства «ручку» «кувшина», ведь именно совершенствоотличает высокохудожественное творение настоящего мастера-физика от грубойподелки ремесленника-одержимца.
Второй вопрос: в каких еще экспериментах, помимояпонского эксперимента LEPS, зафиксированы сигналы от />? Нижеприводится таблица с перечнем экспериментов, которые заявили о наблюдении />, каналов, в которых эти наблюдения были выполнены, инайденых характеристик />-частицы. ВТаблице 1 требуют пояснения некоторые обозначения: A — ядро (применяется длятех эксперимнтов, в которых рождение пентакварка исследовалось в однотипныхреакциях на нескольких ядрах), X — все возможные другие частицы (применяетсядля обозначения несущественных частиц в инклюзивных реакциях), d — дейтон, />--короткоживущая компонента />-мезона.
Из таблицы хорошо видно, что имеется существенныйразброс в массах пентакварка и в его ширинах. Однако, во многих случаяхизмерение ширины лимитировалось разрешающей способностью аппаратуры.
/>/>Таблица: Сводка экспериментальных данных по обнаружению сигнала от />. Частицы в скобках образуют те пары, в распределении по инвариантной массе которых был обнаружен пентакварк. Следует напомнить, что инвариантной массой двух частиц называется величина />, где />и /> — энергия и импульс каждой из частиц в некоторой системе координат. Эксперимент Страна Масса Ширина Реакция Ссылка (МэВ) (МэВ) LEPS Япония
/> 25
/> [5] CLAS(d) США
/> 21
/> [6] DIANA Россия
/> 9
/> [7] SAPHIR Германия
/> 25
/> [8] ИТЭФ Россия
/> 20
/> [9] CLAS(p) США
/>
/>
/> [10] HERMES Германия
/>
/>
/> [11] СВД-2 Россия
/> 24
/> [12] ZEUS Германия
/> --
/> [13]
Третий: почему ученые уверены, что они видят именнопятикварковые образования, ведь кварки спрятаны внутри адронов и их число неподдается прямому определению? Прежде всего отмечу, что несмотря на бравурныйтон статей, особенно в научно-популярной периодической литературе и СМИ, ученыепока совсем не уверены, что пентакварки обнаружены. И, как ни странно, этанеуверенность крепнет с каждым новым экспериментом, сообщающем об обнаруженииочередного кандидата в пентакварки.
Какие рассуждения привели физиков-экспериментаторов кмысли, что />есть пентакварк? Частица />наблюдалась вдвух модах распада: />и />. Барионные заряды протона и нейтрона равны единице,а каонов — нулю; суммарный барионный заряд конечной системы в обеих реакцияхравен единице. Если бы распад />шел с нарушениембарионного заряда, то при существующей статистике эксперимента LEPS и его последователейподобный распад было бы невозможно наблюдать (существуют чрезвычайно жесткиеэкспериментальные ограничения на вероятность нарушения барионного заряда,связанные, в основном, с измерением времени жизни протона на японскихустановках KamiokaNDE и SuperKamiokaNDE). Поскольку распады наблюдаются, тоестественно предположить, что в данном случае барионный заряд сохраняется, тоесть его величина для />равна единице.
Странность состояния />измерялась враспаде />. Если предположить, что распад идет за счет сильноговзаимодействия (характеристики распада указывает именно на эту возможность), тостранность также сохраняется. Поскольку странность />-мезона равна +1, то истранность />тоже должна быть равна +1, то есть частица />должнасодержать хотя бы один странный антикварк. Таким образом, /> — эточастица с барионным зарядом +1, но содержащая хотя бы один антикварк.Минимальным подобным состоянием может быть состояние, содержащее четыре кваркаи странный антикварк, что соответствует теоретическим предсказаниям группыД.Дьяконова [4].
Масса и полная ширина состояния />такжехорошо согласуются с предсказаниями группы Дьяконова, так что наиболееестественным предположением является гипотеза, что состояние />естьпентакварк с положительной странностью из антидекуплета легчайших пентакварков.Его ожидаемый кварковый состав />. Однако,необходимо подчеркнуть еще раз, что до абсолютно бесспорных сужденийотносительно природы />очень далеко.Плохо стыкующиеся друг с другом данные из Таблицы 1 — лучшее этомуподтверждение.
Необходимо обратить внимание сетевых читателей на однутонкость: невозможно ПРЯМО измерить странность пентакварка по распаду />, поскольку основной модой, по которой экспериментальнообнаруживается />-мезон, является распад />, идущий за счет слабого взаимодействия и,следовательно, нарушающий странность.
Н.Никитин
/>/>Новые пятикварковые состояния найдены в CERNе
Прошло всего несколько месяцев после вспышкиэнтузиазма, вызванной почти одновременным наблюдением сразу в несколькихэкспериментах новой частицы, состоящей из пяти кварков, — а уже приходятсообщения о наблюдении других пятикварковых состояний, родственных первому.
/>/>Рис.1:Гипотетический барионный антидекуплет пентакварков. Эти состояния образуюттреугольник. Возможно, что в настоящее время открыты три состояния, лежащие насторонах этого треугольника (обведены кружками). />
Предложенная в 1960-х годах кварковая модель оказаласьвесьма удачной для описания известных барионов как связанных состояний трехкварков. Однако, Квантовая хромодинамика не запрещает существование барионов,содержащих и более трех «кирпичиков». Поиски таких многокварковыхсостояний велись много лет, но до недавнего времени экспериментально не былообнаружено ни одного приемлемого кандидата. Новый импульс поискам придалитеоретические работы Дмитрия Дьяконова, Виктора Петрова и Максима Полякова.Российские теоретики предсказали, что массы легчайших пентакварков (то естьсостояний вида />), входящих вбарионный антидекуплет (см. рис.1), сравнительно невелики и что ширина распадасамого легкого из пентакварков должна быть чрезвычайно узкой [4]. Недавнеенаблюдение такого состояния, получившего обозначение />, открыло новуюглаву в барионной спектроскопии. Ожидается, что исследование />прольетновый свет на поведение сильных взаимодействий в непертурбативной области(Н.Н.: то есть в области, в которой неприменима теория возмущений). />являетсяэкзотическим барионом, поскольку он не может состоять из трех кварков. Этоверно и для двух других членов барионного антидекуплета, обведенных на рис.1красными кружками, которые имеют странность S = -2, заряды Q = -2 и 0соответственно и входят в изотопический квартет />-частиц (Н.Н.: напомню,что эта загадочная греческая буква читается КСИ).
/>/>Рис.: а)Суммарное распределение инвариантных масс />-, />-, /> — и />-систем; b) распределение по инвариантной массе завычетом комбинационного фона, />-пикаппроксимируется при помощи распределения Гаусса. />
В эксперименте NA49, который проводится в CERN-е наускорителе SPS (Super Proton Synchrotron), велись поиски состояния />и/>впротон-протонных столкновениях при энергии 158 ГэВ [15]. Треки частиц,родившихся в протонных столкновениях, регистрировались в четырех большихкамерах, наполненных газом. Высокое разрешение достигалось при помощи точнойреконструкции траекторий и импульсов частиц, в то время как идентификациячастиц проводилась по их ионизационным потерям в газе. Реконструкция вершинвторичных распадов дала возможность наблюдать сложные цепочки распадовпентакварковых состояний. После подавления фона при помощи подходящихэкспериментальных ограничений в распределении по инвариантной массе />-системыбыл обнаружен узкий пик на уровне 5,6 стандартного отклонения. Этот пиксоответствовал инвариантной массе 1,862 />0,002 ГэВ/c2(см. рис.2). Реальная ширина пика должна быть меньше, чем наблюдаемая полнаяширина на полувысоте пика, которая равна 0,017 ГэВ/c2 и сопоставимас разрешением экспериментальной установки.
Пики с фактически одинаковой массой былизарегистрированы в распределениях по инвариантной массе для /> — и />-систем, а также для систем, состоящих из их античастиц.Сигнал от />найден не был. Это связано с тем, что для канала />,в котором потенциально можно наблюдать />, ситуация с фономзначительно хуже. Экзотические барионы />(с зарядом Q = -2 истранностью S = -2) и />(Q = 0, S = -2)являются хорошими кандидатами в изоспиновый квартет пентакварков на рольсостояний с кварковым составом />и />соответственно(см. рис.1). Открытие этих состояний является важным шагом на путиподтверждения существования пентакваркового барионного антидекуплета.
Представленная выше статья из журнала «CERNCourier» является достаточно краткой. Поэтому при ее прочтении можетвозникнуть неясность, развеять которую и призвано послесловие.
Во-первых, все барионы, в состав которых входит двастранных кварка, принято обозначать буквой />. Поэтому двапредполагаемых пятикварковых состояния с кварковым составом />и />соответственно,а также один из продуктов их распада, имеющий кварковый состав />, в статьеобозначены одинаково (что является неудачным с точки зрения первого знакомствас предметом).
На самом деле, в эксперименте NA49 искали распады вида/>и />, которые в подавляющем числеслучаев идут за счет сильного взаимодействия. Если принять, что пентакварки />имеютмассу около 1860 МэВ, то на языке элементарных частиц эти распады можнозаписать в виде: />и />, где /> — это хорошоизвестный барион из изотопического дублета />,имеющий кварковый состав />. Пентакварки пыталисьобнаружить в распределении по инвариантным массам />и />-систем (либо по инвариантным массам систем ихантичестиц).
Во всех четырех случаях были найдены пики при массеоколо 1860 МэВ, что указывает либо на отличное выполнение изотопическойсимметрии в пентакварковом антидекуплете, либо на невыясненные покаметодические ошибки эксперимента.
Последние теоретические предсказания [16] (январь 2004г.) для масс уже наблюдавшихся в экспериментах пентакварков дают следующиезначения:
/>
Видно, что экспериментальные результаты для масспредполагаемых /> — и />-состоянийочень хорошо согласуются с вычислениями теоретиков.
В феврале 2004 года свои данные по поиску пентакварковопубликовала китайская коллаборация BES-II (Beijing Spectrometer-II) [17]. Онипытались найти пентакварки в эксклюзивных реакциях
/>
/> />
/> />
/> (1)
/> />
При статистике в 14 миллионов />и 58 миллионов />реакции(1) найдены не были, что привело к ограничению на парциальные ширины распадов />и />вдва пентакварка на уровне />при уровнедостоверности 90%.
Результат коллаборации BES-II не противоречит гипотезео существовании пентакварков. Действительно, если масса />лежит врайоне 1540 МэВ, то масса />-парыравна примерно 3080 МэВ. Масса />-мезона порядка 3097МэВ, то есть в распаде />выигрыш в массе составляет около 17МэВ или чуть больше. Таким образом, данная реакция должна быть сильно подавленапо фазовому объему. Заметим, что такое подавление при бОльшей статистике можноиспользовать для точного определения массы пентакварка.
Масса />-мезона около 3686МэВ. В этом случае нет подавления по фазовому объему. Однако хорошо известно,что парциальная ширина распада />меньше />. Для распадов />возникает дополнительноеподавление порядка />,где /> — бегущая константа сильного взаимодействия, чтоавтоматически приводит к парциальной ширине, меньшей />.
Приведенные выше рассуждения по поводу результатовколлаборации BES-II в настоящее время активно циркулируют средифизиков-теоретиков всего мира. Можно надеяться, что в ближайшее времярезультаты BES-II могут быть проверены и улучшены на установках CLEO, BaBar иBELLE.
/>/>Списоклитературы
1 И.Иванов, «Текущие открытия в ФЭЧ: открытие бариона сположительной странностью», www.scientific.ru/spark/zplus.html
2 Н.Никитин, «Экзотические многокварковые состояния. Как обстоятдела на сегодняшний день?», phys.web.ru/db/msg/1187352/
3 А.Крашенинников, «Пентакварк существует»,phys.web.ru/db/msg/1186499/
4 D.Diakonov et al., Z.Phys.A359 (1997),p.305.
5 T.Nakano et al., Phys.Rev.Lett.91 (2003),012002.
6 S.Stepanyan et al., Phys.Rev.Lett.91(2003), 252001.
7 V.V.Barmin et al., Phys.Atom.Nucl.66(2003), p.1715.
8 J.Barth et al., hep-ex/0307083.
9 A..E. Asratyan, A.G.Dolgolenko,M.A.Kubantsev, hep-ex/0309042.
10 V.Kubarovsky et. al. hep-ex/0311046.
11 A.Airapetian et al., hep-ex/0312044.
12 A.Aleev et al., hep-ex/0401024.
13 По материалам доклада на семинаре в DESY.
14 Б.В.Мартемьянов, «Девять лекций по кварковойструктуре адронов», www.pereplet.ru/pops/quark/quark.html
15 C.Alt et al., hep-ex/0310014.
16 J.Ellis, M.Karliner, M.Praszalowicz,hep-ph/0401127.
17 J.Z.Bai et al., hep-ex/0402012.