stringtranslate.com

Пентакварк

Две модели общего пентакварка
Буква q обозначает кварк , а q — антикварк . Глюоны ( волнистые линии) обеспечивают сильные взаимодействия между кварками. Должны присутствовать красные, зеленые и синие цветовые заряды , в то время как оставшиеся кварк и антикварк должны иметь общий цвет и его антицвет, в этом примере синий и антисиний (показаны желтым).

Пентакварк — это созданная человеком субатомная частица , состоящая из четырех кварков и одного антикварка, связанных вместе ; их существование в природе неизвестно и оно не ограничивается экспериментами, специально проведенными для их создания.

Поскольку кварки имеют барионное число ⁠ ++1/3⁠ , и антикварки ⁠−+1/3⁠ , пентакварк имел бы общее барионное число 1, и, таким образом, был бы барионом . Кроме того, поскольку он имеет пять кварков вместо обычных трех, обнаруженных в обычных барионах ( они же «трикварки»), он классифицируется как экзотический барион . Название пентакварк было придумано Клодом Жиньо и др. (1987) [1] и Гарри Дж. Липкиным в 1987 году; [2] однако возможность пятикварковых частиц была выявлена ​​еще в 1964 году, когда Мюррей Гелл-Манн впервые постулировал существование кварков . [3] Хотя пентакварки предсказывались в течение десятилетий, их оказалось на удивление трудно обнаружить, и некоторые физики начали подозревать, что неизвестный закон природы препятствует их образованию. [4]

Первое заявление об открытии пентакварка было зарегистрировано в LEPS в Японии в 2003 году, и несколько экспериментов в середине 2000-х годов также сообщили об открытии других состояний пентакварка. [5] Однако другие исследователи не смогли повторить результаты LEPS, и другие открытия пентакварка не были приняты из-за плохих данных и статистического анализа. [6] 13 июля 2015 года коллаборация LHCb в ЦЕРНе сообщила о результатах, согласующихся с состояниями пентакварка в распаде нижних лямбда-барионов ( Λ0
б). [7] 26 марта 2019 года коллаборация LHCb объявила об открытии нового пентакварка, который ранее не наблюдался. [8] 5 июля 2022 года коллаборация LHCb объявила об открытии PΛ
ψs(4338) 0 [а] пентакварк. [9]

За пределами лабораторий по исследованию элементарных частиц пентакварки могут образовываться естественным образом в процессах, которые приводят к образованию нейтронных звезд . [10]

Фон

Кварк — это тип элементарной частицы , которая имеет массу , электрический заряд и цветовой заряд , а также дополнительное свойство, называемое ароматом , которое описывает, к какому типу кварка он относится (верхний, нижний, странный, очарованный, верхний или нижний). Из-за эффекта, известного как ограничение цвета , кварки никогда не видны сами по себе. Вместо этого они образуют составные частицы, известные как адроны, так что их цветовые заряды нейтрализуются. Адроны, состоящие из одного кварка и одного антикварка , известны как мезоны , в то время как адроны, состоящие из трех кварков, известны как барионы . Эти «обычные» адроны хорошо документированы и охарактеризованы; однако, в теории нет ничего, что могло бы помешать кваркам образовывать «экзотические» адроны, такие как тетракварки с двумя кварками и двумя антикварками или пентакварки с четырьмя кварками и одним антикварком. [4]

Структура

пять кругов, расположенных по часовой стрелке: синий круг, обозначенный буквой «c», желтый (антисиний) круг, обозначенный буквой «c» с надчеркиванием, зеленый круг, обозначенный буквой «u», синий круг, обозначенный буквой «d», и красный круг, обозначенный буквой «u».
Диаграмма P+
стип пентакварка, предположительно открытый в июле 2015 года, демонстрирует вкусы каждого кварка и одну возможную цветовую конфигурацию.

Возможны самые разные пентакварки, причем разные комбинации кварков дают разные частицы. Чтобы определить, какие кварки составляют данный пентакварк, физики используют обозначение qqqq q , где q и q соответственно относятся к любому из шести ароматов кварков и антикварков. Символы u, d, s, c, b и t обозначают верхний , нижний , странный , очарованный , нижний и верхний кварки соответственно, а символы u , d , s , c , b , t соответствуют соответствующим антикваркам. Например, пентакварк, состоящий из двух верхних кварков, одного нижнего кварка, одного очарованного кварка и одного очарованного антикварка, будет обозначаться uudc c .

Кварки связаны вместе сильным взаимодействием , которое действует таким образом, чтобы отменить цветовые заряды внутри частицы. В мезоне это означает, что кварк связан с антикварком с противоположным цветовым зарядом — синим и антисиним, например, — в то время как в барионе три кварка имеют между собой все три цветовых заряда — красный, синий и зеленый. [b] В пентакварке цвета также должны отмениться, и единственно возможной комбинацией является наличие одного кварка с одним цветом (например, красным), одного кварка со вторым цветом (например, зеленым), двух кварков с третьим цветом (например, синим) и одного антикварка для нейтрализации избыточного цвета (например, антисинего). [11]

Механизм связывания пентакварков пока не ясен. Они могут состоять из пяти кварков, тесно связанных вместе, но также возможно, что они связаны более слабо и состоят из трехкваркового бариона и двухкваркового мезона, взаимодействующих относительно слабо друг с другом посредством пионного обмена (та же сила, которая связывает атомные ядра ) в «мезон-барионной молекуле». [3] [12] [13]

История

Середина 2000-х

Требование включить антикварк означает, что многие классы пентакварка трудно идентифицировать экспериментально — если аромат антикварка совпадает с ароматом любого другого кварка в квинтуплете, он будет сокращаться, и частица будет напоминать своего трехкваркового адронного кузена. По этой причине ранние поиски пентакварка были направлены на частицы, в которых антикварк не сокращался. [11] В середине 2000-х годов несколько экспериментов, как утверждалось, обнаружили состояния пентакварка . В частности, резонанс с массой1540  МэВ/ c2 (4,6  σ ) было зарегистрировано LEPS в 2003 году,
Θ+
. [14] Это совпало с состоянием пентакварка с массой1530 МэВ/ c 2 предсказано в 1997 году. [15]

Предложенное состояние состояло из двух верхних кварков , двух нижних кварков и одного странного антикварка (uudd s ). После этого объявления девять других независимых экспериментов сообщили о наблюдении узких пиков отнК+и пК0, с массами между1522 МэВ / c2 и1555 МэВ/ c2 , все выше 4σ. [14] Хотя существовали опасения относительно достоверности этих состояний, Группа по данным о частицах дала
Θ+
3 звезды (из 4) в « Обзоре физики элементарных частиц» за 2004 год . [14] Были зарегистрированы еще два состояния пентакварка, хотя и с низкой статистической значимостью —
Ф−−
(ddss u ), с массой1860 МэВ/ c2 и
Θ0
с(uudd c ), с массой3099 МэВ/ c2 . Позже было обнаружено , что оба эти явления являются статистическими эффектами, а не истинными резонансами. [14]

Затем десять экспериментов искали
Θ+
, но вышли с пустыми руками. [14] В частности, два эксперимента (один в BELLE , а другой в CLAS ) имели почти те же условия, что и другие эксперименты, которые, как утверждалось, обнаружили
Θ+
(DIANA и SAPHIR соответственно). [14] В Обзоре физики элементарных частиц 2006 года сделан вывод: [14]

[T]Не было получено статистически подтвержденных данных ни для одного из оригинальных экспериментов, которые утверждали, что видели
Θ+
; было проведено два высокостатистических повторных эксперимента в лаборатории Джефферсона , которые ясно показали, что первоначальные положительные утверждения в этих двух случаях были неверными; было проведено несколько других высокостатистических экспериментов, ни один из которых не нашел никаких доказательств
Θ+
; и все попытки подтвердить два других заявленных состояния пентакварка привели к отрицательным результатам. Вывод о том, что пентакварки в целом, и
Θ+
, в частности, не существуют, представляется убедительным.

В «Обзоре физики элементарных частиц» 2008 года сделан еще более глубокий вывод: [6]

Есть два или три недавних эксперимента, которые обнаружили слабые доказательства наличия сигналов вблизи номинальных масс, но просто нет смысла их табулировать, учитывая неопровержимые доказательства того, что заявленные пентакварки не существуют... Вся эта история — сами открытия, последовавшая за ними волна статей теоретиков и феноменологов и последующее «неоткрытие» — представляет собой любопытный эпизод в истории науки.

Несмотря на эти нулевые результаты , результаты LEPS продолжали показывать существование узкого состояния с массой1524 ± 4  МэВ/ c2 , со статистической значимостью 5,1 σ . [16]

Однако позже выяснилось, что это «открытие» было сделано из-за несовершенной методологии (https://www.osti.gov/biblio/21513283-critical-view-claimed-theta-sup-pentaquark).

Результаты LHCb 2015 года

Диаграмма Фейнмана, изображающая распад лямбда-бариона Λ0
бв каон К−
и пентакварк P+
с.

В июле 2015 года коллаборация LHCb в ЦЕРНе идентифицировала пентакварки в Λ0
б→J/ψK−
p- канал, который представляет собой распад нижнего лямбда-бариона (Λ0
б) в J/ψ-мезон (J/ψ) , каон (K−
) и протон (p). Результаты показали, что иногда вместо распада через промежуточные лямбда -состояния Λ0
браспадались через промежуточные состояния пентакварка. Два состояния, названные P+
с(4380) и П+
с(4450) , имели индивидуальные статистические значения 9 σ и 12 σ, соответственно, и объединенное значение 15 σ — достаточно, чтобы заявить о формальном открытии. Анализ исключил возможность того, что эффект был вызван обычными частицами. [3] Оба состояния пентакварка были обнаружены сильно распадающимися до J/ψp , следовательно, должны иметь валентное кварковое содержание из двух верхних кварков , нижнего кварка , очарованного кварка и антиочарованного кварка (
ты

ты

г

с

с
), что делает их чармониевыми -пентакварками. [7] [10] [17]

Поиск пентакварков не был целью эксперимента LHCb (который в первую очередь предназначен для исследования асимметрии материи-антиматерии ) [18] , и очевидное открытие пентакварков было описано координатором по физике эксперимента как «случайность» и «то, на что мы наткнулись случайно». [12]

Исследования пентакварков в других экспериментах

Подгонка к инвариантному спектру масс J/ψp для Λ0
б→J/ψK−
p- распад, где каждый подходящий компонент показан отдельно. Вклад пентакварков показан заштрихованными гистограммами .

Образование пентакварков из электрослабых распадов Λ0
ббарионы имеют чрезвычайно маленькое поперечное сечение и дают очень ограниченную информацию о внутренней структуре пентакварков. По этой причине существует несколько текущих и предлагаемых инициатив по изучению производства пентакварков в других каналах.

Ожидается, что пентакварки будут изучаться в столкновениях электронов с протонами в экспериментах Hall B E12-12-001A [19] и Hall C E2-16-007 [20] в JLab . Основной проблемой в этих исследованиях является большая масса пентакварка, которая будет производиться в хвосте фотон-протонного спектра в кинематике JLab. По этой причине неизвестные в настоящее время фракции ветвления пентакварка должны быть достаточно большими, чтобы позволить обнаружение пентакварка в кинематике JLab. Предлагаемый электронно-ионный коллайдер , который имеет более высокие энергии, гораздо лучше подходит для этой проблемы.

Интересный канал для изучения пентакварков в протон-ядерных столкновениях был предложен Шмидтом и Сиддиковым (2016). [21] Этот процесс имеет большое поперечное сечение из-за отсутствия электрослабых посредников и дает доступ к волновой функции пентакварка. В экспериментах с фиксированной мишенью пентакварки будут производиться с малыми скоростями в лабораторной системе отсчета и будут легко обнаруживаться. Кроме того, если есть нейтральные пентакварки, как предполагается в нескольких моделях, основанных на симметрии ароматов, они также могут быть получены в этом механизме. Этот процесс может быть изучен в будущих экспериментах с высокой светимостью, таких как After@LHC [22] и NICA. [23]

Результаты LHCb 2019 года

26 марта 2019 года коллаборация LHCb объявила об открытии нового пентакварка на основе наблюдений, преодолевших порог в 5 сигм, с использованием набора данных, который во много раз превышал набор данных 2015 года. [8]

Обозначенный как P c (4312) + (P c + идентифицирует пентакварк чармония, а число в скобках указывает на массу около 4312 МэВ), пентакварк распадается на протон и мезон J/ψ. Анализы дополнительно показали, что ранее сообщенные наблюдения пентакварка P c (4450) + на самом деле были средним значением двух различных резонансов, обозначенных как P c (4440) + и P c (4457) + . Понимание этого потребует дальнейшего изучения.

Результаты LHCb 2022 года

5 июля 2022 года коллаборация LHCb объявила об открытии еще одного нового пентакварка [24] со значимостью 15-сигма. Обозначенный как P ψs Λ (4338) 0 , его состав описывается как udsc c , представляя собой первый подтвержденный пентакварк, содержащий странный кварк. [25]

Приложения

Цветовые трубки потока, созданные пятью статическими зарядами кварков и антикварков, вычисленные в решеточной КХД . [26] Ограничение в квантовой хромодинамике приводит к созданию трубок потока, соединяющих цветовые заряды. Трубки потока действуют как притягивающие потенциалы, подобные струнам КХД .

Открытие пентакварков позволит физикам более подробно изучить сильное взаимодействие и поможет понять квантовую хромодинамику . Кроме того, современные теории предполагают, что некоторые очень большие звезды производят пентакварки при коллапсе. Изучение пентакварков может помочь пролить свет на физику нейтронных звезд . [10]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Число в скобках — расчетная масса частицы, измеренная в МэВ.
  2. ^ Цветовые заряды не соответствуют физически видимым цветам. Это произвольные метки, используемые для того, чтобы помочь ученым описывать и визуализировать заряды кварков.

Ссылки

  1. ^ Gignoux, C.; Silvestre-Brac, B.; Richard, JM (1987-07-16). «Возможность стабильных многокварковых барионов». Physics Letters B. 193 ( 2): 323–326. Bibcode :1987PhLB..193..323G. doi :10.1016/0370-2693(87)91244-5.
  2. ^ Липкин, Х. Дж. (1987). «Новые возможности для экзотических адронов — антиочарованные странные барионы». Physics Letters B. 195 ( 3): 484–488. Bibcode : 1987PhLB..195..484L. doi : 10.1016/0370-2693(87)90055-4.
  3. ^ abc "Наблюдение частиц, состоящих из пяти кварков, состояний пентакварка-чармония, наблюдаемых в распадах Λ0b→J/ψpK−". LHCb (пресс-релиз). ЦЕРН . 14 июля 2015 г. Получено 14 июля 2015 г.
  4. ^ ab Muir, H. (2 июля 2003 г.). «Открытие пентакварка смущает скептиков». New Scientist . Получено 2010-01-08 .
  5. ^ Хикс, К. (23 июля 2003 г.). «Физики находят доказательства существования экзотического бариона». Университет Огайо . Архивировано из оригинала 8 сентября 2016 г. Получено 08.01.2010 .
  6. ^ ab См. стр. 1124 в Amsler, C.; et al. ( Particle Data Group ) (2008). "Обзор физики элементарных частиц" (PDF) . Physics Letters B. 667 ( 1–5): 1–6. Bibcode : 2008PhLB..667....1A. doi : 10.1016/j.physletb.2008.07.018. hdl : 1854/LU-685594 . S2CID  227119789.
  7. ^ аб Аайдж, Р.; и др. ( Коллаборация LHCb ) (2015). «Наблюдение резонансов J/ψp, соответствующих состояниям пентакварка в Λ0
    б    →J/ψK − p распадается". Physical Review Letters . 115 (7): 072001. arXiv : 1507.03414 . Bibcode : 2015PhRvL.115g2001A. doi : 10.1103/PhysRevLett.115.072001. PMID  26317714. S2CID  119204136.
  8. ^ ab "Эксперимент LHCb открывает новый пентакварк". ЦЕРН . 26 марта 2019 г. Получено 26 апреля 2019 г.
  9. ^ «Наблюдение странного пентакварка, дважды заряженного тетракварка и его нейтрального партнера». 5 июля 2022 г. Получено 5 июля 2022 г.
  10. ^ abc Sample, I. (14 июля 2015 г.). «Ученые Большого адронного коллайдера открывают новые частицы: пентакварки». The Guardian . Получено 14 июля 2015 г.
  11. ^ ab Pochodzalla, J. (2005). "Дуэты странных кварков". Hadron Physics . IOS Press. стр. 268. ISBN 978-1614990147.
  12. ^ ab Amit, G. (14 июля 2015 г.). «Открытие пентакварка на LHC демонстрирует долгожданную новую форму материи». New Scientist . Получено 14 июля 2015 г.
  13. ^ Коэн, ТД; Холер, ПМ; Лебедь, РФ (2005). "О существовании тяжелых пентакварков: большие пределы N c и тяжелых кварков и далее". Physical Review D. 72 ( 7): 074010. arXiv : hep-ph/0508199 . Bibcode : 2005PhRvD..72g4010C. doi : 10.1103/PhysRevD.72.074010. S2CID  20988932.
  14. ^ abcdefg Яо, В.-М.; и др. ( Группа данных по частицам ) (2006). "Обзор физики частиц: Θ+" (PDF) . Журнал физики G. 33 ( 1): 1–1232. arXiv : astro-ph/0601168 . Bibcode : 2006JPhG...33....1Y. doi : 10.1088/0954-3899/33/1/001. S2CID  262936640.
  15. ^ Дьяконов, Д.; Петров, В. и Поляков, М. (1997). "Экзотический антидекуплет барионов: предсказание из хиральных солитонов". Zeitschrift für Physik A . 359 (3): 305. arXiv : hep-ph/9703373 . Bibcode :1997ZPhyA.359..305D. CiteSeerX 10.1.1.44.7282 . doi :10.1007/s002180050406. S2CID  2322877. 
  16. ^ Накано, Т.; и др. ( LEPS Collaboration ) (2009). «Доказательства Θ + в реакции γd→K + K − pn». Physical Review C. 79 ( 2): 025210. arXiv : 0812.1035 . Bibcode : 2009PhRvC..79b5210N. doi : 10.1103/PhysRevC.79.025210. S2CID  118475729.
  17. ^ Ринкон, П. (14 июля 2015 г.). «Большой адронный коллайдер обнаруживает новую частицу пентакварк». BBC News . British Broadcasting Corporation . Получено 14 июля 2015 г.
  18. ^ «Куда делась вся антиматерия?». LHCb (пресс-релиз). ЦЕРН . 2008. Получено 15 июля 2015 г.
  19. ^ "Near threshold J/psi фоторождение и изучение пентакварков LHCb с CLAS12". Национальная лаборатория Джефферсона . Предложения по физическому эксперименту. E12-12-001A.
  20. ^ "Поиск LHCb зачаровал "пентакварк" с использованием фотопроизводства J/Psi на пороге в зале C в Джефферсонской лаборатории". Джефферсонская национальная лаборатория . Предложения по физическому эксперименту. E2-16-007.
  21. ^ Шмидт, Иван; Сиддиков, Марат (3 мая 2016 г.). "Производство пентакварков в pA-столкновениях". Physical Review D. 93 ( 9): 094005. arXiv : 1601.05621 . Bibcode : 2016PhRvD..93i4005S. doi : 10.1103/PhysRevD.93.094005. S2CID  119296044.
  22. ^ «После @LHC».
  23. ^ "НИКА".
  24. ^ «Проект Большого адронного коллайдера открывает три новые экзотические частицы». Манчестерский университет. 5 июля 2022 г. Получено 1 сентября 2023 г.
  25. ^ Aaij, R. и 1072 других (17 июля 2023 г.). «Наблюдение резонанса J/ψΛ, согласующегося со странным кандидатом на пентакварк в распадах B‒ → J/ψΛp». Physical Review Letters . 131 (3): 031901–1‒031901–11. arXiv : 2210.10346 . doi : 10.1103/PhysRevLett.131.031901 . PMID  37540878. S2CID  252992880.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  26. ^ N. Cardoso; M. Cardoso & P. ​​Bicudo (2013). "Цветовые поля статической системы пентакварка, вычисленные в решетке SU(3) QCD". Physical Review D . 87 (3): 034504. arXiv : 1209.1532 . Bibcode :2013PhRvD..87c4504C. doi :10.1103/PhysRevD.87.034504. S2CID  119268740.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки