Продолжение пентакварковой драмы

«Троицкий вариант» №15(184), 2015 • Физика, LHC • Комментировать

Владимир Копелиович,
вед. науч. сотр. Института ядерных исследований РАН
«Троицкий вариант» №15(184), 28 июля 2015 года

В драме с участием пентакварков появилась новая глава. Коллаборация LHCb объявила о вероятном наблюдении пентакварков P_c со скрытым очарованием и кварковым составом \(c\bar cuud\) (пара очарованных кварка и антикварка, два u-кварка и один d-кварк), которые возникают в распаде нейтрального бариона \(\Lambda_b^0\) → P_cK^– [1].

Распад этого «прелестного» бариона, имеющего массу около 5620 МэВ, происходит за счет слабого взаимодействия (то есть происходит обмен виртуальным W-бозоном) преимущественно в два типа конечных состояний, J/ψΛ* (где Λ* — барионный резонанс со странностью –1) и состояние, содержащее пентакварк P_c и K^–-мезон. Пентакварк P_c распадается за счет сильного взаимодействия на протон и мезон J/ψ (чармоний, векторный мезон с массой 3097 МэВ). Важное утверждение авторов состоит в том, что для описания данных необходимо включение канала распада \(\Lambda_b^0\) на пентакварк P_c и K^–-мезон.

Наблюдение пентакварка с массой 4450 МэВ и шириной около 40 МэВ кажется более достоверным (12 стандартных отклонений); наблюдение более легкого пентакварка с массой около 4380 МэВ (ширина порядка 200 МэВ) — менее достоверно (9 стандартных отклонений). Вероятные значения спинов этих пентакварков — 5/2 и 3/2 соответственно; четности, по-видимому, противоположны (возможны варианты).

Напомню, что пентакварк — это барион, состоящий из трех кварков и пары кварк-антикварк — отсюда его название. Следует отметить, что существование пентакварков не запрещено никакими фундаментальными принципами, и их достоверное (!) наблюдение существенно обогатило бы наши представления о структуре адронов. Пентакварки естественным образом возникают не только в рамках собственно кварковых моделей, но и, например, в рамках топологических (киральных) солитонных моделей (в модели Скирма и ее обобщениях), что обсуждается еще с 1985 года [2]. В таких моделях барионное число состояния отождествляется с топологическим числом, которое характеризует конфигурацию киральных (мезонных) полей. Важнейший вопрос — энергия (масса покоя) этих состояний.

Драматические события разыгрались вокруг пентакварка с положительной странностью (стоит заметить, что барион с положительной странностью может быть только пентакварком, так как должен содержать странный антикварк; странный кварк имеет значение квантового числа странности S = –1). Относительно легкий пентакварк с S = +1 был предсказан в работе 1997 года Д. Дьяконова, В. Петрова и М. Полякова, получившей широкую известность [3]. Однако эта работа имела ряд недостатков, критиковалась в литературе, и поэтому предсказание такого пентакварка с относительно небольшой массой, около 1540 МэВ, вовсе не было строгим. Ажиотаж возник, когда в двух экспериментах, выполненных в Японии (коллаборация LEPS, лидер — Т. Накано) и в России (ИТЭФ, Москва, лидер — А. Долголенко) в 2003–2004 годах был обнаружен пентакварк с положительной странностью и массой около 1540 МэВ, в близком соответствии с предсказанием ДПП. В общей сложности более десяти различных экспериментов наблюдали такой относительно легкий пентакварк в течение последующих 2–3 лет, причем достоверность наблюдения в некоторых экспериментах достигала 6 стандартных отклонений. Было также объявлено о наблюдении пентакварка со странностью –2 (коллаборация NA49, CERN) и очарованного пентакварка (что не было подтверждено).

Спустя некоторое время экспериментальная ситуация с наблюдением пентакварка со странностью +1 стала меняться в противоположную сторону. В ряде экспериментов существование этого пентакварка не было подтверждено, иногда в прямом противоречии с прежними наблюдениями. Например, пентакварк не был обнаружен в Японии на той же установке, где его впервые наблюдали. Почему так произошло — до сих пор не вполне ясно. По-видимому, сыграл свою роль пресловутый человеческий (психологический) фактор. Так или иначе, интерес к этой теме угас.

И вот сейчас в этой драме возникла новая страница, причем с пентакварками, имеющими тяжелый флейвор — очарование, или чарм. По утверждению авторов, наблюдение более тяжелого пентакварка прошло кроссинг-проверку и вполне достоверно.

Замечу в заключение, что наблюдение явно экзотического барионного состояния, например, со странностью или прелестью +1, или очарованием –1 (следует напомнить, что в соответствии с соотношениями Гелл-Манна — Нишиджимы очарованный кварк имеет значение квантового числа очарования, или чарма, C = +1, прелестный кварк имеет значение прелести, или бьюти, B = –1), имело бы преимущество по сравнению с наблюдением криптоэкзотических (то есть скрыто, «зашифрованно» экзотических [4]) состояний, какими являются наблюдаемые коллаборацией LHCb состояния со скрытым очарованием. Интерпретация таких состояний требует все-таки определенных предположений о динамике всего процесса, в частности предполагается, что справедливо так называемое правило Цвейга, согласно которому рождение пары кварк-антикварк в реакциях сильного взаимодействия подавлено по сравнению с реакциями, в которых такая пара уже присутствует в начальном состоянии.

Будем ждать продолжения этой драмы.

1. Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ^b₀ → J/ψK^–p decays. LHCb Collaboration (Roel Aaij (CERN) et al.) — e-Print: arXiv:1507.03414 [hep-ex].
2. Биденхарн, Дотан, 1985; Прасжалович М., 1987; Валлизер Г., 1992; Копелиович В., 1990. См. также УФН 174 (2004) 323, где дан краткий обзор ситуации с пентакварками на то время.
3. Cм. Петров В. В поисках пентакварка // ТрВ-Наука, №125 от 26 марта 2013 года.
4. Есть два типа экзотических состояний: manifestly exotic — явно экзотические, по внешним квантовым числам, и cryptoexotic — криптоэкзотические (экзотические по своему составу).