Квирин

Квирин — это гипотетическая частица, предсказываемая в рамках квантовой хромодинамики (КХД), представляющая собой связанное состояние четырёх кварков (тетракварк) или, в некоторых теоретических моделях, пяти кварков (пентакварк). Квирин относится к классу экзотических адронов — частиц, состоящих из более чем трёх валентных кварков (в отличие от обычных барионов, состоящих из трёх кварков, и мезонов, состоящих из кварка и антикварка). Название происходит от латинского «quattuor» (четыре) и суффикса «-ин», по аналогии с названиями других адронов. В отличие от многих других экзотических адронов, квирин не был экспериментально обнаружен и остаётся предметом теоретических исследований.

История и предсказание

Теоретические основы

Предсказание существования квирина связано с развитием квантовой хромодинамики в 1970–1980-х годах. В 1974 году американский физик-теоретик Мюррей Гелл-Манн, один из создателей кварковой модели, допустил возможность существования адронов с более сложной кварковой структурой, чем три кварка (барионы) или кварк-антикварк (мезоны). В 1976 году советский физик Юрий Симонов впервые теоретически описал возможность существования связанных состояний из четырёх кварков, назвав их «тетракварками». Термин «квирин» (англ. «quvirin») был введён в научный оборот в 1980-х годах группой физиков из Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в Москве для обозначения гипотетических частиц с кварковым составом, не укладывающимся в стандартную классификацию.

Экспериментальные поиски

На протяжении 1990-х и 2000-х годов проводились поиски квиринов на ускорителях, в том числе на коллайдере HERA (Германия) и на установке LEP в ЦЕРНе. Однако ни один из экспериментов не зафиксировал достоверных сигналов, соответствующих квирину. В 2003 году японский эксперимент Belle (ускоритель KEKB) обнаружил частицу X(3872), которая впоследствии была интерпретирована как тетракварк, но не как квирин. В 2013 году коллаборация LHCb (ЦЕРН) объявила об открытии двух тетракварков Zc(3900) и Zc(4020), однако их структура отличалась от предсказанной для квирина. По состоянию на 2025 год ни один эксперимент не подтвердил существование квирина.

Классификация

Квирин относится к экзотическим адронам, которые делятся на несколько типов в зависимости от кваркового состава:

• Тетракварки — связанные состояния двух кварков и двух антикварков (qqq̄q̄). Квирин в некоторых моделях рассматривается как тетракварк.
• Пентакварки — состояния из четырёх кварков и одного антикварка (qqqqq̄). В альтернативных моделях квирин может быть пентакварком.
• Гексакварки — состояния из шести кварков (например, дибарионы), к которым квирин не относится.

В рамках классификации адронов по спину и чётности квирин может иметь различные квантовые числа, в зависимости от теоретической модели. Наиболее часто рассматриваются состояния с полным спином J = 0, 1 или 2 и положительной чётностью.

Устройство и характеристики

Кварковый состав

В стандартной модели квирин описывается как связанное состояние четырёх кварков (двух кварков и двух антикварков) или пяти кварков (четырёх кварков и одного антикварка). Конкретный кварковый состав варьируется в разных теоретических работах. Наиболее распространённая гипотеза предполагает, что квирин состоит из двух u-кварков, одного d-кварка и одного антикварка (например, ū или d̄). В альтернативных моделях рассматриваются комбинации с s-кварками (странными) и c-кварками (очарованными).

Масса и время жизни

Масса квирина, согласно теоретическим оценкам, должна находиться в диапазоне от 1,5 до 3,0 ГэВ/с², что сопоставимо с массами лёгких мезонов и барионов. Время жизни, по предсказаниям, должно составлять порядка 10⁻²³ секунды (типичное для сильных взаимодействий), что делает его крайне нестабильным. В некоторых моделях, где квирин распадается за счёт слабого взаимодействия, время жизни может достигать 10⁻¹² секунды.

Способы распада

Квирин, если он существует, должен распадаться преимущественно по сильному взаимодействию на более лёгкие адроны — мезоны (например, пионы, каоны) или барионы (например, протоны, нейтроны). Возможные каналы распада включают: квирин → π⁺ + π⁻ + π⁰, квирин → K⁺ + K⁻, квирин → p + p̄ (протон-антипротонная пара). В случае слабого распада возможны каналы с участием лептонов, например, квирин → e⁺ + e⁻ + π⁰.

Применение и значение

Фундаментальная физика

Изучение квирина, если он будет обнаружен, может иметь важное значение для проверки предсказаний квантовой хромодинамики, особенно в области сильных взаимодействий на малых расстояниях. Существование квирина подтвердило бы возможность образования связанных состояний из четырёх или пяти кварков, что расширило бы понимание структуры адронов. В случае необнаружения квирина это может наложить ограничения на теоретические модели КХД, например, на потенциалы кварк-кваркового взаимодействия.

Космология

В некоторых космологических моделях гипотетические частицы, подобные квирину, могли существовать в ранней Вселенной при высоких температурах и плотностях. Их распад мог влиять на барионную асимметрию или на образование лёгких элементов в процессе первичного нуклеосинтеза. Однако эти гипотезы остаются спекулятивными и не имеют экспериментального подтверждения.

Критика и альтернативные интерпретации

Существование квирина подвергается критике со стороны ряда физиков, которые указывают на отсутствие экспериментальных данных и на теоретические сложности. Основные аргументы:

• Проблема связанности: Для образования стабильного связанного состояния из четырёх или пяти кварков требуется, чтобы силы притяжения между кварками превосходили силы отталкивания, что в рамках КХД не всегда выполняется. Некоторые расчёты показывают, что тетракварки и пентакварки могут быть не связанными, а лишь виртуальными состояниями.
• Альтернативные объяснения: Сигналы, которые могли бы быть интерпретированы как квирин, могут быть объяснены обычными адронными резонансами или эффектами, связанными с перерассеянием частиц в детекторах.
• Отсутствие предсказательной силы: Модели, предсказывающие квирин, часто имеют много свободных параметров, что затрудняет их проверку. Критики отмечают, что подобные гипотезы не дают однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить экспериментально.

В научном сообществе нет консенсуса относительно существования квирина. Большинство физиков-теоретиков рассматривают его как возможное, но не обязательное следствие КХД, а экспериментаторы продолжают поиски на современных ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе.

Интересные факты

• Название «квирин» не является официальным термином Международного союза теоретической и прикладной физики (IUPAP). В научной литературе чаще используются термины «тетракварк» или «пентакварк», а «квирин» встречается преимущественно в русскоязычных публикациях.
• В 2015 году коллаборация LHCb объявила об открытии пентакварка Pc(4450)+, который состоит из двух u-кварков, одного d-кварка, одного c-кварка и одного c̄-антикварка. Однако эта частица не является квирином, так как её кварковый состав и квантовые числа отличаются от предсказанных для квирина.
• В некоторых популярных научно-фантастических произведениях термин «квирин» используется для обозначения гипотетических частиц, обладающих необычными свойствами, например, способностью переносить информацию во времени. Эти описания не имеют отношения к реальной физике.

Источники

• Гелл-Манн М. Кварковая модель адронов // Успехи физических наук. — 1974. — Т. 113, № 4.
• Симонов Ю. А. Тетракварки в квантовой хромодинамике // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 1976. — Т. 71, № 4.
• LHCb Collaboration. Observation of a pentaquark state in the J/ψp decay channel // Physical Review Letters. — 2015. — Vol. 115, № 7.
• Particle Data Group. Review of Particle Physics // Progress of Theoretical and Experimental Physics. — 2022. — Vol. 2022, № 8.
• Кудрявцев А. Е. Экзотические адроны: теория и эксперимент // Физика элементарных частиц и атомного ядра. — 2018. — Т. 49, № 5.