stringtranslate.com

Пентакварк

Две модели общего пентакварка
q указывает на кварк , а q на антикварк . Глюоны (волнистые линии) обеспечивают сильные взаимодействия между кварками. Должны присутствовать заряды красного, зеленого и синего цвета, а остальные 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 ; неизвестно, что они возникают в природе или существуют вне экспериментов, специально проведенных для их создания.

Поскольку кварки имеют барионное число ++1/3и антикварки —+1/3, пентакварк будет иметь общее барионное число 1 и, следовательно, будет барионом . Кроме того, поскольку он имеет пять кварков вместо обычных трех, обнаруженных в обычных барионах ( также известных как «трикварки»), он классифицируется как экзотический барион . Название пентакварк было придумано Клодом Жинью и др. (1987) [1] и Гарри Дж. Липкин в 1987 году; [2] однако возможность существования пятикварковых частиц была выявлена ​​еще в 1964 году, когда Мюррей Гелл-Манн впервые постулировал существование кварков . [3] Несмотря на то, что пентакварки предсказывали на протяжении 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, а в нескольких экспериментах середины 2000-х годов также сообщалось об открытии других состояний пентакварка. [5] Однако другие исследователи не смогли повторить результаты LEPS, а другие открытия пентакварков 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 путем 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 , какой это тип кварка (верхний, нижний, странный, очаровательный, верхний или нижний). . Из-за эффекта, известного как ограничение цвета , кварки никогда не наблюдаются сами по себе. Вместо этого они образуют составные частицы , известные как адроны , так что их цветные заряды компенсируются. Адроны, состоящие из одного кварка и одного антикварка , известны как мезоны , а те, которые состоят из трех кварков, известны как барионы . Эти «обычные» адроны хорошо документированы и охарактеризованы; однако теоретически 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]

Состав

пять кругов, расположенных по часовой стрелке: синий кружок с пометкой «c», желтый (антисиний) кружок с пометкой «c» с подчеркиванием, зеленый кружок с пометкой «u», синий кружок с пометкой «d» и красный кружок с пометкой «u».
Схема П+
стип пентакварка, возможно, обнаруженный в июле 2015 года, демонстрирующий ароматы каждого кварка и одну возможную цветовую конфигурацию.

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

Кварки связаны между собой сильной силой , которая действует таким образом, что нейтрализует цветные заряды внутри частицы. В мезоне это означает, что кварк сотрудничает с антикварком с противоположным цветовым зарядом (например, синим и антисиним), тогда как в барионе три кварка имеют между собой все три цветных заряда — красный, синий и зеленый. [b] В пентакварке цвета также должны взаимоисключаться, и единственная возможная комбинация — это иметь один кварк одного цвета (например, красного), один кварк второго цвета (например, зеленого), два кварка третьего цвета. (например, синий) и один антикварк для нейтрализации избыточного цвета (например, антисиний). [11]

Механизм связывания пентакварков пока неясен. Они могут состоять из пяти тесно связанных друг с другом кварков, но возможно также, что они связаны более слабо и состоят из трехкваркового бариона и двухкваркового мезона, относительно слабо взаимодействующих 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 включения антикварка означает, что многие классы пентакварков трудно идентифицировать экспериментально - если аромат антикварка совпадает с ароматом любого другого кварка в квинтуплете, он уравновесится, и частица будет напоминать своего трехкваркового адронного кузена. . По этой причине ранние поиски пентакварков искали частицы, в которых антикварк не нейтрализовался. [11] В середине 2000-х годов несколько экспериментов утверждали, что обнаружили состояния пентакварка. В частности , резонанс с массой1540  МэВ/ c 2 (4,6  σ ) была зарегистрирована LEPS в 2003 г.
Θ+
. [14] Это совпало с состоянием пентакварка с массой1530 МэВ/ с 2 предсказано в 1997 г. [15]

Предполагаемое 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/ c 2 и1555 МэВ/ с 2 , все выше 4 σ. [14] Хотя существовали опасения по поводу достоверности этих состояний, Группа данных о частицах дала
Θ+
рейтинг 3 звезды (из 4) в Обзоре физики элементарных частиц за 2004 год . [14] Сообщалось о двух других состояниях пентакварка, хотя и с низкой статистической значимостью:
Φ---
(ddss u ), массой1860 МэВ/ c 2 и
Θ0
с(uudd c ), массой3099 МэВ/ с 2 . Позже было обнаружено, что оба эффекта являются статистическими эффектами, а не настоящими резонансами. [14]

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

[T]здесь не было высокостатистического подтверждения ни одного из первоначальных экспериментов, которые утверждали, что видели
Θ+
; было два повторения с высокой статистикой из лаборатории Джефферсона , которые ясно показали, что первоначальные положительные утверждения в этих двух случаях были ошибочными; был проведен ряд других экспериментов с высокой статистикой, ни один из которых не нашел никаких доказательств существования
Θ+
; и все попытки подтвердить два других заявленных состояния пентакварка привели к отрицательным результатам. Вывод о том, что пентакварки вообще и
Θ+
, в частности, не существуют, кажется убедительным.

Обзор физики элементарных частиц 2008 года пошел еще дальше: [6]

Есть два или три недавних эксперимента, которые находят слабые доказательства существования сигналов вблизи номинальных масс, но просто нет смысла сводить их в таблицу ввиду неопровержимых доказательств того, что заявленные пентакварки не существуют... Вся история - сами открытия , последовавшая за этим волна статей теоретиков и феноменологов и возможное «неоткрытие» — любопытный эпизод в истории науки.

Несмотря на эти нулевые результаты , результаты LEPS продолжали демонстрировать существование узкого состояния с массой1524 ± 4  МэВ/ с 2 со статистической значимостью 5,1 σ. [16]

Однако позже выяснилось, что это «открытие» произошло из-за ошибочной методологии.

Результаты LHCb за 2015 год

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

В июле 2015 года коллаборация LHCb в ЦЕРН обнаружила пентакварки в Λ0
б→Дж/ψК−
p- канал, который представляет 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
браспался через промежуточные состояния пентакварка. Два государства, названные P+
с(4380) и П+
с(4450) имели индивидуальную статистическую значимость 9 σ и 12 σ соответственно, а совокупную значимость 15 σ – достаточно, чтобы заявить об официальном открытии. Анализ исключил возможность того, что эффект был вызван обычными частицами. [3] Оба состояния пентакварка наблюдались как сильно распадающиеся до J/ψp , следовательно, они должны иметь содержание валентных кварков, состоящее из двух верхних кварков , нижнего кварка , очаровательного кварка и антиочаровательного кварка (
ты

ты

д

с

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

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

Исследования пентакварков в других экспериментах

Аппроксимация J/ψp- инвариантного спектра масс для Λ0
б→Дж/ψК−
p -распад, где каждый подходящий компонент показан индивидуально. Вклад пентакварков показан заштрихованными гистограммами .

Рождение пентакварков в результате электрослабых распадов Λ0
ббарионы имеют чрезвычайно малое сечение и дают очень ограниченную информацию о внутренней структуре пентакварков. По этой причине существует несколько текущих и предлагаемых инициатив по изучению производства пентакварков по другим каналам.

Ожидается, что пентакварки будут изучаться в электрон-протонных столкновениях в экспериментах Hall B E12-12-001A [19] и Hall C E2-16-007 [20] в JLab . Основной проблемой в этих исследованиях является тяжелая масса пентакварка, которая будет образовываться в хвосте фотонно-протонного спектра в кинематике JLab. По этой причине неизвестные в настоящее время доли ветвления пентакварка должны быть достаточно большими, чтобы можно было обнаружить пентакварк в кинематике JLab. Предлагаемый электрон-ионный коллайдер , имеющий более высокие энергии, гораздо лучше подходит для этой задачи.

Интересный канал для изучения пентакварков в протон-ядерных столкновениях был предложен Шмидтом и Сиддиковым (2016). [21] Этот процесс имеет большое сечение из-за отсутствия электрослабых посредников и дает доступ к волновой функции пентакварка. В экспериментах с фиксированной мишенью пентакварки будут рождаться с небольшой скоростью в лабораторных условиях и их будет легко обнаружить. Кроме того, если существуют нейтральные пентакварки, как предполагают некоторые модели, основанные на ароматной симметрии, они также могут образовываться по этому механизму. Этот процесс может быть изучен в будущих экспериментах с высокой светимостью, таких как After@LHC [22] и NICA. [23]

Результаты LHCb за 2019 год

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

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

Результаты LHCb за 2022 год

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

Приложения

Цветные трубки потока, создаваемые пятью статическими кварковыми и антикварковыми зарядами, рассчитанными в решеточной КХД . [26] Конфайнмент в квантовой хромодинамике приводит к образованию магнитных трубок , соединяющих цветные заряды. Трубки потока действуют как притягивающие потенциалы, подобные струнам КХД .

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

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Число в скобках представляет собой расчетную массу частицы, измеренную в МэВ.
  2. ^ Цветовые заряды не соответствуют физически видимым цветам. Это произвольные обозначения, которые помогают ученым описывать и визуализировать заряды кварков.

Рекомендации

  1. ^ Жиньу, К.; Сильвестр-Брак, Б.; Ричард, Дж. М. (16 июля 1987 г.). «Возможность стабильных мультикварковых барионов». Буквы по физике Б. 193 (2): 323–326. Бибкод : 1987PhLB..193..323G. дои : 10.1016/0370-2693(87)91244-5.
  2. ^ Липкин, HJ (1987). «Новые возможности для экзотических адронов — антиочарованных странных барионов». Буквы по физике Б. 195 (3): 484–488. Бибкод : 1987PhLB..195..484L. дои : 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 года . Проверено 14 июля 2015 г.
  4. ^ Аб Мьюир, Х. (2 июля 2003 г.). «Открытие пентакварка сбивает скептиков с толку». Новый учёный . Проверено 8 января 2010 г.
  5. ↑ Хикс, К. (23 июля 2003 г.). «Физики находят доказательства существования экзотического бариона». Университет Огайо . Архивировано из оригинала 8 сентября 2016 года . Проверено 8 января 2010 г.
  6. ^ ab См. стр. 1124 г. в Амслере, К.; и другие. ( Группа данных о частицах ) (2008). «Обзор физики элементарных частиц» (PDF) . Буквы по физике Б. 667 (1–5): 1–6. Бибкод : 2008PhLB..667....1A. doi :10.1016/j.physletb.2008.07.018. hdl : 1854/LU-685594 . S2CID  227119789.
  7. ^ аб Аайдж, Р.; и другие. ( 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 обнаружил новый пентакварк». ЦЕРН . 26 марта 2019 г. Проверено 26 апреля 2019 г.
  9. ^ «Наблюдение странного пентакварка, двухзарядного тетракварка и его нейтрального партнера». 5 июля 2022 г. . Проверено 5 июля 2022 г.
  10. ^ abc Sample, I. (14 июля 2015 г.). «Ученые Большого адронного коллайдера открывают новые частицы: пентакварки». Хранитель . Проверено 14 июля 2015 г.
  11. ^ Аб Походзалла, Дж. (2005). «Дуэты странных кварков». Адронная физика . ИОС Пресс. п. 268. ИСБН 978-1614990147.
  12. ^ Аб Амит, Г. (14 июля 2015 г.). «Открытие пентакварка на БАКе показывает долгожданную новую форму материи». Новый учёный . Проверено 14 июля 2015 г.
  13. ^ Коэн, ТД; Холер, премьер-министр; Лебедь, РФ (2005). «О существовании тяжелых пентакварков: пределы больших N c и тяжелых кварков и за их пределами». Физический обзор D . 72 (7): 074010. arXiv : hep-ph/0508199 . Бибкод : 2005PhRvD..72g4010C. doi :10.1103/PhysRevD.72.074010. S2CID  20988932.
  14. ^ abcdefg Яо, В.-М.; и другие. ( Группа данных о частицах ) (2006). «Обзор физики элементарных частиц: Θ+» (PDF) . Журнал физики Г. 33 (1): 1–1232. arXiv : astro-ph/0601168 . Бибкод : 2006JPhG...33....1Y. дои : 10.1088/0954-3899/33/1/001. S2CID  262936640.
  15. ^ Дьяконов, Д.; Петров В. и Поляков М. (1997). «Экзотический антидекуплет барионов: предсказание на основе киральных солитонов». Zeitschrift für Physik A. 359 (3): 305. arXiv : hep-ph/9703373 . Бибкод : 1997ZPhyA.359..305D. CiteSeerX 10.1.1.44.7282 . дои : 10.1007/s002180050406. S2CID  2322877. 
  16. ^ Накано, Т.; и другие. ( Сотрудничество LEPS ) (2009). «Доказательства существования Θ + в реакции γd → K + K − pn». Физический обзор C . 79 (2): 025210. arXiv : 0812.1035 . Бибкод : 2009PhRvC..79b5210N. doi : 10.1103/PhysRevC.79.025210. S2CID  118475729.
  17. ↑ Ринкон, П. (14 июля 2015 г.). «Большой адронный коллайдер обнаружил новую частицу пентакварка». Новости BBC . Британская радиовещательная корпорация . Проверено 14 июля 2015 г.
  18. ^ «Куда делась вся антиматерия?». LHCb (Пресс-релиз). ЦЕРН . 2008 год . Проверено 15 июля 2015 г.
  19. ^ «Близкопороговое фотообразование J/psi и исследование пентакварков LHCb с помощью CLAS12». Национальная лаборатория Джефферсона . Предложения по физическому эксперименту. Е12-12-001А.
  20. ^ «Поиск очарованного LHCb «пентакварка» с использованием фотопроизводства J / Psi на пороге в зале C в лаборатории Джефферсона» . Национальная лаборатория Джефферсона . Предложения по физическому эксперименту. Е2-16-007.
  21. ^ Шмидт, Иван; Сиддиков, Марат (3 мая 2016 г.). «Рождение пентакварков в pA-столкновениях». Физический обзор D . 93 (9): 094005. arXiv : 1601.05621 . Бибкод : 2016PhRvD..93i4005S. doi : 10.1103/PhysRevD.93.094005. S2CID  119296044.
  22. ^ "После@LHC" .
  23. ^ "НИКА".
  24. ^ «Проект Большого адронного коллайдера обнаружил три новые экзотические частицы» . Университет Манчестера. 5 июля 2022 г. Проверено 1 сентября 2023 г.
  25. ↑ Аайдж, Р. и еще 1072 человека (17 июля 2023 г.). «Наблюдение резонанса J/ψΛ, соответствующего странному кандидату в пентакварк в распадах B‒ → J/ψΛp». Письма о физических отзывах . 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. ^ Н. Кардозо; М. Кардозо и П. Бикудо (2013). «Цветовые поля статической пентакварковой системы, рассчитанные в КХД на решетке SU (3)». Физический обзор D . 87 (3): 034504. arXiv : 1209.1532 . Бибкод : 2013PhRvD..87c4504C. doi : 10.1103/PhysRevD.87.034504. S2CID  119268740.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки