Пентакварк

Пентакварк — это экзотическая элементарная частица, состоящая из пяти кварков (четырёх кварков и одного антикварка), связанных сильным взаимодействием. В отличие от обычных адронов (барионов, состоящих из трёх кварков, и мезонов, состоящих из кварка и антикварка), пентакварки относятся к классу экзотических адронов, предсказанных квантовой хромодинамикой (КХД), но долгое время не поддававшихся экспериментальному обнаружению. Первое убедительное свидетельство существования пентакварка было получено в 2015 году на Большом адронном коллайдере (БАК) в эксперименте LHCb (ЦЕРН, Швейцария).

История открытия

Теоретические предсказания

В 1970-х годах, после становления квантовой хромодинамики как теории сильных взаимодействий, физики-теоретики допустили, что кварки могут образовывать не только тройки (барионы) и пары (мезоны), но и более сложные комбинации. В 1979 году советский физик Александр Борисович Кайдалов (Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва) впервые указал на возможность существования связанных состояний из пяти кварков. В 1997 году Дмитрий Иванович Дьяконов, Максим Поляков и Виктор Петров (Петербургский институт ядерной физики, Гатчина) предсказали существование пентакварка с массой около 1,5 ГэВ/с², названного Θ⁺ (тета-плюс). Эта частица должна была состоять из двух верхних, двух нижних кварков и одного странного антикварка (uudds̄).

Первые заявления и разочарования

В 2003 году несколько экспериментальных групп (включая LEPS в Японии, CLAS в США и DIANA в России) заявили об обнаружении Θ⁺-пентакварка с массой около 1,54 ГэВ/с². Однако последующие эксперименты с более высокой статистикой не подтвердили эти результаты. К 2008 году консенсус в научном сообществе сводился к тому, что сигналы были статистическими флуктуациями или артефактами обработки данных. Статус пентакварка оставался гипотетическим.

Открытие в эксперименте LHCb

Решающий прорыв произошёл в 2015 году. Коллаборация LHCb (Large Hadron Collider beauty) на Большом адронном коллайдере объявила об открытии двух пентакварков, обозначенных Pc(4380) и Pc(4450) (числа указывают массу в МэВ/с²). Частицы были обнаружены при анализе распада лямбда-бариона Λb⁰ на J/ψ-мезон, протон и каон. Статистическая значимость сигнала превысила 5σ (пять стандартных отклонений), что является общепринятым порогом для открытия в физике элементарных частиц. В 2019 году коллаборация LHCb сообщила об обнаружении нового пентакварка Pc(4312), а также подтвердила существование ранее найденных, уточнив их параметры.

Классификация и структура

Типы пентакварков

Пентакварки классифицируются по составу кварков и типу связи:

• Очарованные пентакварки (Pc): Содержат один очарованный кварк (c) и один очарованный антикварк (c̄), а также три лёгких кварка (u, d, s). Пример: Pc(4312) — uudc̄c.
• Странные пентакварки (Θ⁺): Гипотетические частицы, содержащие странный антикварк (s̄) и четыре лёгких кварка. Не подтверждены экспериментально.
• Дважды очарованные пентакварки: Теоретически возможны, но пока не обнаружены.

Внутренняя структура

Существует две основные модели, описывающие, как кварки удерживаются внутри пентакварка:

1. Связанное состояние (компактный пентакварк): Все пять кварков находятся в одном «мешке», удерживаемые глюонным полем. Это классическая модель, предсказанная КХД.
2. Молекулярное состояние (адронный молекула): Пентакварк представляет собой слабо связанную систему из бариона (три кварка) и мезона (кварк-антикварк), удерживаемых остаточным сильным взаимодействием, аналогично тому, как атомы удерживаются в молекуле. Например, Pc(4450) может интерпретироваться как молекула из Σc-бариона и D̄-мезона.

Современные данные LHCb склоняются к молекулярной интерпретации, хотя окончательный ответ ещё не получен. Возможно, разные пентакварки имеют разную структуру.

Характеристики

Масса и ширина

Массы подтверждённых пентакварков составляют от 4,3 до 4,5 ГэВ/с² (примерно в 4,5–4,8 раза тяжелее протона). Они являются крайне нестабильными частицами с очень коротким временем жизни (порядка 10⁻²³ секунды). Ширина распада (мера нестабильности) составляет от 10 до 50 МэВ.

Квантовые числа

• Спин: 3/2 или 5/2 (полуцелые, как у барионов).
• Чётность: Положительная или отрицательная (определяется конфигурацией кварков).
• Изотопический спин: 1/2 (для очарованных пентакварков).

Распады

Пентакварки распадаются за счёт сильного взаимодействия, что объясняет их крайнюю нестабильность. Основные каналы распада:

• Pc → J/ψ + p (распад на J/ψ-мезон и протон).
• Pc → Λc⁺ + D̄ (распад на очарованный барион и анти-D-мезон).

Методы обнаружения

Эксперимент LHCb

Основной метод — анализ событий рождения и распада тяжёлых адронов в протон-протонных столкновениях на БАК. Пентакварки не регистрируются напрямую, а проявляются как резонансы (пики) в распределении инвариантной массы продуктов распада. Для выделения сигнала из фона применяются методы многомерного статистического анализа и машинного обучения.

Другие эксперименты

Поиски пентакварков ведутся также на ускорителях:

• COMPASS (ЦЕРН) — изучает взаимодействие мюонов с ядрами.
• JLab (США) — эксперименты с электронным пучком.
• BESIII (Китай) — изучение e⁺e⁻-аннигиляции.

Однако на сегодняшний день только LHCb предоставил статистически значимые данные.

Значение для физики

Проверка квантовой хромодинамики

Открытие пентакварков подтвердило предсказания КХД о существовании экзотических адронов. Изучение их свойств позволяет уточнить модели сильного взаимодействия, особенно в неадиабатической области (где кварки сильно взаимодействуют друг с другом).

Понимание структуры материи

Пентакварки являются уникальной лабораторией для изучения того, как кварки и глюоны образуют связанные состояния. Сравнение компактной и молекулярной моделей помогает понять природу ядерных сил на фундаментальном уровне.

Связь с ядерной физикой

Изучение пентакварков может пролить свет на поведение материи при экстремальных плотностях и температурах, например, в нейтронных звёздах. Теоретически, пентакварки могут образовываться в ядерной материи при высоких давлениях.

Современное состояние исследований

После 2019 года коллаборация LHCb продолжает набор данных и анализ. В 2022–2023 годах были опубликованы уточнённые параметры ранее открытых пентакварков, а также обнаружены новые кандидаты, такие как Pc(4337) и Pc(4440). Параллельно ведутся теоретические работы по предсказанию свойств пентакварков с другими кварковыми составами, включая частицы с двумя тяжёлыми кварками.

В 2024 году коллаборация LHCb объявила о наблюдении нового пентакварка, обозначенного Pc(4459), с массой 4459 МэВ/с². Его структура также интерпретируется как адронная молекула. В настоящее время ведутся поиски пентакварков, содержащих странные кварки (Θ⁺), на новых установках, таких как эксперимент PANDA (будущий ускорительный комплекс FAIR, Германия).

Критика и нерешённые вопросы

Несмотря на открытие, ряд вопросов остаётся открытым:

• Природа связи: Являются ли пентакварки компактными или молекулярными? Окончательный ответ может дать только измерение их квантовых чисел с высокой точностью.
• Существование Θ⁺: Почему лёгкие пентакварки не были обнаружены, несмотря на интенсивные поиски? Возможно, они являются виртуальными состояниями или имеют слишком большую ширину.
• Роль глюонных конфигураций: Вклад глюонных возбуждений (глюболов) в структуру пентакварков остаётся малоизученным.

Источники

1. Aaij, R. et al. (LHCb Collaboration). «Observation of J/ψp Resonances Consistent with Pentaquark States in Λb⁰ → J/ψK⁻p Decays». Physical Review Letters, 2015, 115, 072001.
2. Aaij, R. et al. (LHCb Collaboration). «Evidence for a new pentaquark state with hidden charm in Λb⁰ → J/ψpπ⁻ decays». Physical Review Letters, 2019, 122, 222001.
3. Кайдалов, А. Б. «Экзотические адроны в квантовой хромодинамике». Успехи физических наук, 2005, 175, 1143–1168.
4. Дьяконов, Д. И., Петров, В. Ю., Поляков, М. В. «Экзотический антидекуплет барионов в киральной солитонной модели». Письма в ЖЭТФ, 1997, 66, 84–89.
5. Esposito, A. et al. «Pentaquarks in the LHCb era». Physics Reports, 2017, 668, 1–97.