Тетракварк

Тетракварк — это экзотическая форма адронной материи, состоящая из четырёх валентных кварков (двух кварков и двух антикварков) и связанная сильным взаимодействием. В отличие от обычных адронов (мезонов, состоящих из кварка и антикварка, и барионов, состоящих из трёх кварков), тетракварки относятся к классу экзотических адронов — частиц, чья кварковая структура не укладывается в простейшие кварковые модели. Существование тетракварков было предсказано теоретически вскоре после создания кварковой модели, однако экспериментальное обнаружение первых кандидатов произошло лишь в начале XXI века.

История открытия

Теоретические предпосылки

В 1964 году, когда Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо предложили кварковую модель, было сразу отмечено, что возможны комбинации из более чем трёх кварков. В 1977 году Роберт Йоффе и Лев Окунь теоретически обосновали возможность существования четырёхкварковых состояний, названных «экзотическими мезонами». Однако долгое время считалось, что такие частицы, если и существуют, должны быть крайне нестабильными и распадаться за времена порядка 10⁻²³ секунды, что делало их обнаружение чрезвычайно сложным.

Первые экспериментальные свидетельства

Первым серьёзным кандидатом на роль тетракварка стала частица X(3872), открытая в 2003 году коллаборацией Belle на ускорителе KEKB (Япония). Эта частица имела массу около 3872 МэВ/c² и необычные свойства распада, которые не удавалось объяснить в рамках модели обычного чармония (связанного состояния c-кварка и c-антикварка). В последующие годы были обнаружены и другие подобные состояния: Z(4430) (2007), Y(4260) и другие. Эти частицы получили общее название «XYZ-частицы» — по буквенным обозначениям в экспериментальных данных.

Подтверждение и признание

Долгое время физики спорили о природе XYZ-частиц: являются ли они истинными тетракварками, молекулярными состояниями (связанными парами обычных мезонов) или какими-то иными конфигурациями. Решающий прорыв произошёл в 2014 году, когда коллаборация LHCb на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН) подтвердила существование частицы Z(4430) и однозначно определила её квантовые числа, что исключало интерпретацию как простой мезон. В 2020 году коллаборация LHCb объявила об открытии Tcc⁺ — первого тетракварка, состоящего из двух очарованных кварков и двух лёгких антикварков (ccūd̄). Эта частица оказалась необычно стабильной для своего типа (время жизни около 10⁻¹² секунды) и стала первым экспериментально подтверждённым «дважды очарованным» тетракварком.

Классификация

По кварковому составу

Тетракварки классифицируют по типам входящих в них кварков:

• Лёгкие тетракварки — состоят только из u-, d- и s-кварков (например, состояния f₀(500) и κ(800), которые ранее интерпретировались как обычные мезоны, но могут иметь тетракварковую природу). Экспериментально выделить их из фона сложно из-за сильного смешивания с обычными мезонами.
• Тяжёлые тетракварки — содержат хотя бы один тяжёлый кварк (c или b). Они делятся на:
• Чармониеподобные (содержат cc̄-пару): X(3872), Y(4260), Z(4430).
• Боттомониеподобные (содержат bb̄-пару): Zb(10610), Zb(10650).
• Дважды тяжёлые (содержат два тяжёлых кварка одного или разных ароматов): Tcc⁺ (ccūd̄), Tbb (bbūd̄ — пока не обнаружен, но предсказан).
• Открыто-очарованные/прелестные (содержат один тяжёлый кварк и три лёгких): Ds0*(2317), Ds1(2460).

По структуре

Физики выделяют несколько возможных внутренних структур тетракварков:

• Компактный тетракварк — четыре кварка удерживаются сильным взаимодействием в едином «комке» размером порядка 1 фм (10⁻¹⁵ м). Такая структура описывается как единое связанное состояние.
• Молекулярное состояние — два обычных мезона (например, D⁰ и D̄*⁰) связаны друг с другом слабым остаточным сильным взаимодействием, подобно тому, как протоны и нейтроны связаны в ядре. Размер такой «молекулы» может достигать нескольких фм.
• Гибридное состояние — смесь компактного тетракварка и молекулярной конфигурации. Большинство наблюдаемых кандидатов, вероятно, имеют смешанную природу.

Физические свойства

Масса и квантовые числа

Массы известных тетракварков варьируются от ~500 МэВ/c² (лёгкие состояния) до ~11 000 МэВ/c² (тяжёлые b-содержащие). Квантовые числа (спин, чётность, изоспин) определяются комбинацией кварков. Например, частица X(3872) имеет спин 1⁺, а Tcc⁺ — 1⁺ с изоспином 0. Точное измерение квантовых чисел часто является ключевым для отличия тетракварка от обычного мезона.

Ширина распада и время жизни

Тетракварки — крайне нестабильные частицы. Ширина распада (величина, обратно пропорциональная времени жизни) для большинства из них составляет от нескольких МэВ до десятков МэВ, что соответствует временам жизни 10⁻²²–10⁻²³ секунды. Исключение составляет Tcc⁺, ширина которого составляет около 0,4 МэВ (время жизни ~10⁻¹² с) — это аномально много для адрона с двумя тяжёлыми кварками и объясняется кинематическими ограничениями на распад.

Каналы распада

Тетракварки распадаются за счёт сильного взаимодействия на более лёгкие адроны. Типичные каналы:

• Распад на два мезона: Tcc⁺ → D⁰D⁰π⁺.
• Распад на мезон и фотон (электромагнитный распад): X(3872) → J/ψ γ.
• Распад на три мезона: Z(4430) → ψ(2S) π⁺.

Теоретические модели

Кварковая модель и её ограничения

Стандартная кварковая модель, описывающая обычные мезоны и барионы, не может объяснить существование тетракварков. Для их описания требуется квантовая хромодинамика (КХД) — теория сильных взаимодействий. Однако прямое решение уравнений КХД для четырёхкварковых систем крайне сложно, поэтому используются приближённые методы.

КХД на решётке

Наиболее точный метод — численное моделирование КХД на пространственно-временной решётке (lattice QCD). В 2010-х годах расчёты на решётке подтвердили существование нескольких тетракварковых состояний и предсказали их массы с точностью до 10–20 МэВ. Например, частица Tcc⁺ была предсказана на решётке в 2017 году, за три года до экспериментального открытия.

Модель дикварков

Популярная теоретическая модель рассматривает тетракварк как связанное состояние двух дикварков — пар кварков, сильно скоррелированных между собой. В этой модели компактный тетракварк состоит из дикварка (qq) и антидикварка (q̄q̄). Модель дикварков хорошо описывает массы и квантовые числа многих наблюдаемых кандидатов, включая X(3872) и Z(4430).

Мезон-мезонная модель

Альтернативный подход рассматривает тетракварк как молекулу из двух обычных мезонов, связанных обменом пионами или другими лёгкими мезонами. Эта модель особенно успешна для описания частиц, расположенных вблизи порога рождения пары мезонов (например, X(3872) находится вблизи порога D⁰D̄*⁰).

Экспериментальные методы

Ускорители и детекторы

Основные источники тетракварков — эксперименты на электрон-позитронных коллайдерах (Belle, BaBar, BESIII) и протон-протонных коллайдерах (LHCb, ATLAS, CMS). Наиболее эффективным оказался детектор LHCb, специализирующийся на изучении распадов B-мезонов, в которых часто рождаются экзотические адроны.

Идентификация

Тетракварки не регистрируются напрямую — их существование восстанавливают по инвариантной массе продуктов распада. Если в спектре инвариантных масс наблюдается узкий пик, не объяснимый известными частицами, это может указывать на новую частицу. Для подтверждения тетракварковой природы требуется:

• Исключить интерпретацию как обычного мезона или бариона.
• Измерить квантовые числа (спин, чётность).
• Проверить согласие с теоретическими предсказаниями.

Значение для физики

Проверка квантовой хромодинамики

Тетракварки предоставляют уникальную возможность для проверки предсказаний КХД в непертурбативной области — там, где сильное взаимодействие становится слишком сильным для применения теории возмущений. Совпадение предсказаний решёточных расчётов с экспериментальными данными подтверждает правильность нашего понимания КХД.

Поиск новых форм материи

Изучение тетракварков расширяет представления о возможных формах адронной материи. Теоретически предсказаны также пентакварки (пять кварков), гексакварки (шесть кварков) и даже более сложные конфигурации. Некоторые из них уже обнаружены экспериментально (например, пентакварк Pc(4450) в 2015 году).

Понимание сильного взаимодействия

Тетракварки служат «лабораторией» для изучения механизмов связывания кварков. Они позволяют исследовать, как именно сильное взаимодействие удерживает кварки вместе, и какие конфигурации являются энергетически выгодными. Это важно для понимания структуры нейтронных звёзд и ранней Вселенной.

Современное состояние и перспективы

Открытые вопросы

Несмотря на значительный прогресс, многие вопросы остаются нерешёнными:

• Какова точная внутренняя структура каждого из наблюдаемых кандидатов? Являются ли они компактными тетракварками, молекулами или гибридами?
• Почему некоторые тетракварки (например, Tcc⁺) оказываются аномально стабильными?
• Существуют ли тетракварки, состоящие только из лёгких кварков, и как их отличить от обычных мезонов?

Экспериментальные планы

Дальнейшее изучение тетракварков связано с модернизацией существующих детекторов (LHCb Upgrade II) и строительством новых (Belle II, Super Tau-Charm Factory). Ожидается, что в ближайшие 10–15 лет будет открыто несколько десятков новых экзотических адронов, включая предсказанные дважды прелестные тетракварки (Tbb) и тетракварки с четырьмя тяжёлыми кварками (cccc̄).

Российский вклад

Российские физики внесли существенный вклад в теорию тетракварков. В 1970-х годах работы Л. Б. Окуня и его учеников заложили основы для описания экзотических адронов. В 2010-х годах группа из Института теоретической и экспериментальной физики (Москва) и Объединённого института ядерных исследований (Дубна) активно участвовала в решёточных расчётах тетракварковых состояний. Российские учёные также входят в состав коллаборации LHCb.

Источники

1. Gell-Mann M. A Schematic Model of Baryons and Mesons // Physics Letters. — 1964. — Vol. 8, No. 3. — P. 214–215.
2. Choi S.-K. et al. (Belle Collaboration). Observation of a Narrow Charmonium-like State in Exclusive B⁺ → K⁺π⁺π⁻J/ψ Decays // Physical Review Letters. — 2003. — Vol. 91, No. 26. — P. 262001.
3. Aaij R. et al. (LHCb Collaboration). Observation of the Doubly Charmed Baryon Ξcc⁺⁺ // Physical Review Letters. — 2017. — Vol. 119, No. 11. — P. 112001.
4. Aaij R. et al. (LHCb Collaboration). Observation of an Exotic Narrow Doubly Charmed Tetraquark // Nature Physics. — 2022. — Vol. 18, No. 7. — P. 751–754.
5. Karliner M., Rosner J. L. Discovery of the Doubly Charmed Ξcc Baryon Implies a Stable (bbūd̄) Tetraquark // Physical Review Letters. — 2017. — Vol. 119, No. 20. — P. 202001.
6. Eichten E. J., Quigg C. Mesons with Beauty and Charm: Spectroscopy // Physical Review D. — 2019. — Vol. 99, No. 5. — P. 054025.
7. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 4: Квантовая электродинамика. — М.: Наука, 1989. — Гл. 14.
8. Окунь Л. Б. Лептоны и кварки. — М.: Наука, 1990. — Гл. 12.