Возможно, открыта элементарная частица нового типа

Основная часть материи, которую мы видим вокруг, состоит из кварков — обычно трёх. Таковы протоны и нейтроны, формирующие ядра атомов. Некоторые другие частицы образованы парой кварков (точнее, парой кварк — антикварк), и тут уместно вспомнить пионы и каоны. Всего же кварки бывают шести типов.

В истории науки уже были намёки на открытие других частиц, состоящих из более чем трёх кварков, но однозначно подтвердить их существование не удавалось.

За удержание разных кварков вместе отвечает так называемое сильное взаимодействие. Частица, которая, упрощённо говоря, переносит такое взаимодействие, "склеивает" кварки (примерно как фотон переносит взаимодействие электромагнитное). Это глюон (от английского слова "клей"). К счастью, в отличие от фотона, глюоны ограничивают свою вотчину ядрами атомов.

Восемь лет назад физики открыли частицу Y(4260), по-видимому, состоящую из двух кварков и одного "лишнего" глюона. Но с её характеристиками не всё ясно, и оттого группа учёных во главе с Чжицин Лю из коллаборации Belle решила присмотреться к ней повнимательнее.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters, а с его препринтом можно ознакомиться здесь. 

Сталкивая друг с другом электроны и их античастицы — позитроны, экспериментаторы, работавшие с детектором Belle в Научно-исследовательском центре физики высоких энергий (KEK, Цукуба, Япония), смогли создать большое количество частиц Y(4260), живущих до своего распада на другие частицы не более 10^–23 с.

Те частицы, которые своим существованием обязаны кваркам, бывают а) двухкварковыми (мезоны), б) трёхкварковыми (барионы, нормальная материя) и в) возможно, четырёхкварковыми, как новооткрытая Z(3900). (Здесь и ниже иллюстрации APS / Alan Stonebrake, Q. Liu et al.)

Правда, существенно прояснить ситуацию с самой Y(4260) не удалось, зато... Как это часто бывает, начав искать ответ на один вопрос, физики ответили на другой. Причём на такой, который они даже не успели задать. На энергиях в 3,9 ГэВ они отыскали пик, соответствующий частице примерно вчетверо тяжелее протона.

"Вдохновившись находкой, мы решили изучать только распад Y(4260) и не разочаровались", — рассказывает Лю. Удалось образовать 460 новых частиц, пока условно названных Z(3900), из чего легко понять, что это не статистическая флуктуация, а вполне реальная частица, хотя и довольно экзотическая.

Согласно анализу группы Лю, она имеет электрический заряд и состоит как минимум из очарованного кварка и его же антикварка. С дальнейшим начинаются трудности: самое простое объяснение говорит, что, кроме того, там есть ещё один верхний кварк и один нижний антикварк. Но тогда перед нами нечто ранее невиданное: частица из четырёх кварков!

"Физики никогда не видели ничего подобного, а потому это восхитительно!" — восклицает не участвовавший в исследовании Эрик Свансон из Питсбургского университета (США). Предыдущим работам удавалось разглядеть только следы таких частиц, а эксперимент Belle наконец-то позволил уверенно говорить об их открытии.

Тем не менее пока не исключена возможность иных интерпретаций. Например, это может быть пара двухкварковых частиц, взаимодействующих так сильно, что со стороны их почти невозможно отличить от истинно четырёхкварковой. Если всё окажется именно так, речь пойдёт о давно гипотетически постулировавшейся "адронной молекуле" — предмете спекулятивных суждений, также ускользавшем от экспериментаторов.

Кстати, именно к этому варианту склоняется Чжицин Лю: "Адронная молекула — это мои личные предпочтения. Но истинная природа частицы может быть иной".

О чем речь? В принципе Z(3900) может быть более прозаичной штукой: парой двухкварковых частиц, взаимодействующих между собой тесно, но не слишком, ровно настолько, чтобы на первый взгляд казаться четырёхкварковой (или даже "адронной молекулой"), но на деле не образовывать устойчивой связи, характерной для любого из этих вариантов.

В районе 3,9 ГэВ определённо была зарегистрирована новая частица. Но какая именно — ещё только предстоит прояснить

Очевидно, все три основных интерпретации требуют детального сравнения с реальными данными, но их не получить без новых экспериментов, которые группа Лю надеется реализовать в следующем году, возможно, уже с помощью установки Belle-II, в создании которой участвуют также российские институты (ИТЭФ и ИФВЭ). Если грядущие опыты покажут, что Z(3900) распадается как обычная частица, вроде уже известных, то экзотические варианты (первый и второй) придётся отмести в сторону.

Но если нет, то на сей раз физики смогли найти нечто действительно крайне интересное. Не каждый день доводится открывать новую частицу, да ещё невиданного четырёхкваркового типа.