Вчені розповіли, як було виявлено пентакварк
Вчені з НГУ взяли участь у відкритті пентакварку.
Минулого тижня фізики, які працюють на Великому адронному колайдері, заявили про відкриття нової частки - пентакварку. Про те, як було виявлено пентакварк та його значення для науки, розповіли співробітники НГУ та ІЯФ СО РАН, які брали участь у проекті.
«Що таке пентакварк- Вже із самої назви ясно, що йдеться про частинку, що складається з п'яти кварків», - починає свою розповідь кандидат фізико-математичних наук Павло Кроковний, старший викладач НГУ та науковий співробітник ІЯФ СО РАН. Нагадаємо, що наш світ складається з молекул, молекули з атомів, атом - з ядра і електронів, що обертаються навколо нього, а ядро з протонів і нейтронів. Останні складаються із кварків. Кварк - це «цеглинка», що становить всіх елементарних частинок.
Згідно з сучасними уявленнями, існують шість кварків. Вся речовина довкола нас: повітря, дерева, тварини, каміння, вода, зірки і т.д. - Складається з u-і d-кварків, назви яких походять від англійських слів up і down. Їх називають легкими кварками чи кварками першого покоління.
«Протони та нейтрони – це різні комбінації цих кварків. Наприклад, у протоні два u-кварки та один d-кварк (uud), у нейтроні два d-кварки та один u-кварк (udd). Однак крім звичайної речовини, яку ми довкола себе бачимо, існують і більш екзотичні, більш важкі кварки. Це s- та с-кварки (strange та charmed) та t- та b-кварки (top та beauty). Щоб їх породити, потрібні космічні промені, які летять через атмосферу з великою енергією, чи прискорювач».
Сьогодні LHC, або Великий адронний колайдер, є найпотужнішим прискорювачем частинок. За допомогою колайдера пучки протонів розганяють до швидкостей, близьких до швидкості світла, зіштовхують один з одним. Зіткненняпороджують безліч інших частинок, які можуть бути отримані лише в такий спосіб. Кожне зіткнення реєструється в детекторі, де вимірюються параметри частинок, що розлетілися, їх імпульси, енергії і т.д.
«Коли взаємодіють протони, може народжуватись практично все, що завгодно. Аж до бозона Хіггса, заради якого і будували колайдер», - зазначає Павло Кроковний.
«Наш експеримент, під час якого було виявлено пентакварк, називається LHCb. Літера "b" у назві колайдера означає b-кварк. Вивчення фізики «чарівного» кварку, так його називають відповідно до перекладу, - одне із завдань експерименту. Вирішуючи її, на колайдері досліджували розпад так званого Λb-баріону (читається як lambda b-) в кінцевий стан з 3 частинок: J/psi мезон, протон і K-мезон (каон). Баріон - частка, що складається з трьох кварків, подібно до протону або нейтрону. Відмінність у тому, що у Λb-баріоні замість однієї з u-кварків перебуває чарівний, тобто. b-кварк. Аналіз продуктів розпаду баріону показав, що окрім звичайних і добре відомих частинок, існувала якась нова, проміжна – пентакварк». «Чому ми так упевнені, що у складі нової частинки було саме п'ять кварків. Тому що в результаті стався розпад на дві частинки: протон, а протони складаються з трьох кварків, і J/ψ-мезон (читається J-psi), що складається з двох кварків: с-кварка та антикварка (базова складова антиматерії).
Не можна ніяк не «придумати» частинку, що складалася з трьох або двох кварків, яка б давала саме такі продукти розпаду. Єдиний варіант – пентакварк».
Отже, пентакварк складається з двох u-, одного d-, одного c-кварків та одного с-антикварка. У ЦЕРН особливо відзначають, що пентакварк є не просто новою частинкою. За словами Гая Уілкінсона, офіційногопредставника колаборації LHCb, пентакварк є способом упаковки кварків, зазвичай складових протони і нейтрони, частинку, яку не спостерігали за всі 50 років експериментів.
Firstly, дуже виснажений!
«Коли ми врешті-решт дійшли висновку про існування пентакварку, я був вражений (firstly, very exited)! – розповідає Шухао Юань. - Але потім охолонув, заспокоївся. Потрібно було провести безліч тестів, щоб бути впевненим: справді йдеться про пентакварку».
За словами вченого, відкриття нової частинки підтверджує розроблену фізиками теорію Стандартної моделі – теорію будови та взаємодій елементарних частинок: «Більша частина Всесвіту складається з мезонів (двохкваркових частинок) та баріонів (трьохкваркових частинок). Але в рамках Стандартної моделі існування п'ятиваркових частинок, пентакварків, передбачалося ще кілька десятиліть тому. Вчені шукали їх упродовж багатьох років. Сьогодні ми знайшли пентакварк або, скажімо так, виявили найвірогіднішого кандидата на роль пентакварку. Виконана нами робота підтверджує, що Стандартна модель успішно застосовується для розуміння устрою світу. Крім того, відкриття пентакварку – це успіх LHCb експерименту».
Теоретики справді передбачали існування пентакварку і раніше. Слід зазначити, що у початку 2000-х гг. різні групи вчених повідомляли про виявлення кандидатів у пентакварки, проте згодом дані не підтверджувалися. Цього разу результати такі, що фізики не сумніваються – пентакварк «попався». Тепер, коли відома ймовірність народження нової частки, її маса та інші характеристики - отримана експериментальна інформація допоможе вивчити особливості «упаковки» кварків і надалі звузити коло існуючих теоретичних моделей, яких у фізицічимало.
Участь вчених Новосибірського держуніверситету в колаборації LHCb ведеться коштом, виділені НГУ у межах Проекту 5-100.