Открыт адрон нового типа — пентакварк со скрытым очарованием

Рис. 1. Два возможных варианта устройства пентакварка со скрытым очарованием. Изображение с сайта home.web.cern.ch

Коллаборация LHCb в своем препринте сообщает об обнаружении сразу двух адронов нового типа — пентакварков со скрытым очарованием. Обе частицы обнаружены при изучении распада \(\Lambda_b^0\)-бариона на тройку адронов J/ψK^–p. Статистическая значимость находки исключительно велика, 9σ и 12σ, а во втором случае резонансная природа структуры надежно подтверждена фазовым анализом. Это исследование резко активизирует уже притихшее было направление исследований в адронной спектроскопии — физику пентакварков.

Любой рассказ об устройстве элементарных частиц начинается с описания кваркового устройства адронов: есть мезоны, состоящие из кварк-антикварковых пар \([q\bar q]\), и барионы, содержащие по три кварка \([qqq]\). Комбинируя пять типов кварков, способных образовывать адроны, \(q = u, d, s, c, b\), и не забывая при этом о возбужденных состояниях, можно получить огромное число адронов с разнообразными свойствами. Однако редко когда поднимается вопрос о том, почему природа должна ограничиваться только этими комбинациями. В рамках наивной кварковой модели такого ограничения действительно нет. Она вполне годится и для многокварковых состояний: тетракварков \([qq\bar q\bar q]\), пентакварков \([qqqq\bar q]\) и других. Но в силу каких-то причин природа такие многокварковые комбинации «не любит», и очень долго они физикам не встречались в эксперименте. Аккуратный численный расчет свойств адронов на суперкомпьютерах (такой подход называется КХД на решетке) предсказывает существование многокварковых адронов, но не уточняет, как их следует искать в эксперименте. Вдобавок, физика адронов печально знаменита огромным количеством плохо вычисляемых эффектов. Поэтому разобраться, где в экспериментальных данных видно настоящее многокварковое состояние, а где — один или несколько обычных адронных эффектов, исключительно сложно.

Наиболее тяжелой для исследования и интерпретации является физика легких адронов, состоящих только из u, d, и s-кварков. Печально знаменита в этом смысле история десятилетней давности с сенсационным открытием пентакварка Θ(1540) и не менее сенсационным его закрытием. Теоретически предсказанный в конце 90-х на основе солитонной модели, он был обнаружен сразу десятком экспериментов в 2003–2004 годах, но затем под натиском новых, более точных данных открытие было отозвано (см. подробнее в заметке В поисках пентакварка одного из авторов теоретического предсказания). Описание ситуации по состоянию на 2012 год можно найти в статье On the conundrum of the pentaquark; подробный анализ экспериментальных данных по состоянию на 2014 год дан в работе Present status on experimental search for pentaquarks.

В 2000-е годы, параллельно с пентакварковым триллером, бурно развивалась и деятельность по поиску тетракварков. Она оказалась куда более успешной; сейчас известны уже десятки мезонов с подозрением на многокварковость, а в некоторых случаях это уже удалось надежно доказать. Введение в эту область исследования и подробный разбор недавнего примера см. в нашей новости Эксперимент LHCb окончательно доказал реальность экзотического мезона Z(4430).

Поиски тетракварков увенчались успехом потому, что физики сфокусировали свои усилия не на легких, а на тяжелых мезонах, содержащих c- и b-кварки. Частица Z(4430), упомянутая выше, обладает кварковым составом \(c\bar c u \bar d\). Она тяжелая, поскольку содержит c-анти-c-пару, но при этом заряженная, а значит, в кварк-антикварковую схему не вписывается. Поэтому возникает идея поискать и столь же тяжелые пентакварки.

Результат именно такого анализа и представлен в новой статье коллаборации LHCb. Для этого из всей статистики, накопленной детектором за время сеанса LHC Run 1, были отобраны 26 тысяч событий рождения и распада тяжелого бариона \(\Lambda_b^0 \to J/\psi K^- p\). Как и любой трехчастичный адронный распад, он может идти разными способами (см. рис. 2). Самое важное — что физики умеют различать эти промежуточные варианты распада с помощью диаграммы Далица. Для того чтобы обнаружить наличие промежуточного этапа в трехчастичном распаде, они строят распределение по инвариантной массе пары частиц и ищут на ней всплески. Интерпретация всплесков — дело тонкое (вновь сошлемся на запутанную историю с тетракварком Z(4430)). Однако если удастся доказать, что никакими известными частицами или кинематическими адронными эффектами этот всплеск не опишешь, то делается вывод об открытии новой структуры (слово «частица» тут пока не произносится!).

Рис. 2. Вверху: возможные пути трехчастичного распада Λ_b-бариона. Внизу: кварковые диаграммы двух вариантов распада. Изображение с сайта lhcb-public.web.cern.ch

Коллаборация LHCb аккуратно проделала эту работу. Для каон-протонной пары была обнаружена сложная структура (рис. 3, слева), но она вполне хорошо объяснилась совокупным эффектом 14 известных Λ*-резонансов. Для другой пары частиц, J/ψ-мезон плюс протон, распределение тоже показало сильный всплеск, но с ним эти резонансы справиться не смогли. Объяснить такое поведение удалось, добавив в рассмотрение сразу два новых, неизвестных ранее резонанса. Один из них, P_c(4450)⁺, чуть тяжелее и намного уже (его ширина — около 40 МэВ), другой, P_c(4380)⁺, полегче и куда шире (ширина 200 МэВ). Нельзя сказать, что описание данных получилось совсем уж идеальным (обратите внимание на расхождения между черными и красными точками), но введения новых резонансных структур пока что не требуется.

Рис. 3. Распределение числа событий по инвариантной массе Kp (слева) и J/ψp (справа). Черные точки — данные, красные точки — наилучшее приближение, заштрихованные гистограммы — два обнаруженных пентакварка, незаштрихованные гистограммы — вклады многочисленных известных резонансов Λ*. Изображение из обсуждаемой статьи

Новые частицы распадаются на J/ψp за счет сильного взаимодействия — об этом говорят их достаточно большие ширины распада. Значит, кварковые превращения в процессе распада не происходит, и их минимальный кварковый состав получается \(uudc\bar c\). Перед нами — пентакварки со скрытым очарованием (так физики называют ситуацию, когда внутри адрона есть c-анти-c-пара).

Обращает на себя тот факт, что, в отличие от истории с легким пентакварком, здесь коллаборация набрала настолько большую статистику, что никаких сомнений в наличии новых структур не осталось: их статистическая значимость составляет 12 и 9 стандартных отклонений, соответственно. Даже по строгим критериям, принятым в физике частиц, это более чем достаточно для заявления о надежном открытии. Более того, большая статистика позволила внимательно изучить угловые распределения продуктов распада и вывести отсюда спин и четность этих двух пентакварков, если их действительно считать полноправными частицами. Наилучшее описание соответствует спину 3/2 и отрицательной четности для более широкого и легкого состояния и спину 5/2 и положительной четности для узкого резонанса потяжелее. Эта информация будет принципиально важна для теоретиков, когда они начнут описывать устройство этих резонансов в рамках различных теоретических моделей.

Важным этапом анализа стала проверка резонансной природы этих структур. Делается это с помощью диаграммы Аргана (пояснения см. в статье Ф. Никитиу Методы определения резонансов в фазовом анализе // ЭЧАЯ 12, 805 (1981)). Для этого физики отделяют амплитуду рождения в нужном спиновом канале от других амплитуд и по их интерференции находят фазу изучаемой амплитуды. Если теперь пройти через весь всплеск на распределении по инвариантным массам, то для настоящего резонанса фаза опишет красивую петлю, а для посторонних эффектов — нет. В случае узкого резонанса такая петля действительно вырисовывается (рис. 4, слева). Это окончательно доказывает, что перед нами — не какая-то причудливая игра адронных эффектов, а настоящая новая частица. Для более широкого резонанса картина оказалась не столь красивой, поэтому относительно его интерпретации еще остаются сомнения.

Рис. 4. Диаграмма Аргана для двух резонансов. Изображение из обсуждаемой статьи

Что касается теоретического описания обнаруженных пентакварков, то здесь открывается целый спектр возможностей, причем для такого кваркового состава они до сих пор не изучались. Можно с полным правом сказать, что LHCb застала всех теоретиков в этой области врасплох. Это могут быть «адронные молекулы», в которых протон и J/ψ мезон просто держатся какое-то время вместе, либо настоящее пятикварковое состояние. Во втором варианте группировка кварков тоже может быть разной: дикварк + дикварк + антикварк, дикварк + трикварк и другие. Такие варианты уже обсуждались теоретиками для очарованных пентакварков с одним-единственным c-кварком, но, поскольку такие частицы еще не открыты, полемика оставалась вещью в себе. Сейчас эта область адронной физики, безусловно, резко активизируется; собственно, две первые теоретические статьи появились в архиве е-принтов буквально на следующий день после экспериментального сообщения LHCb.

Источник: LHCb Collaboration. Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ^b₀ → J/ψK^–p decays // е-принт arXiv:1507.03414 [hep-ex] (13 июля 2015).

См. также:
1) Избранные результаты коллаборации LHCb с доступным описанием открытия.
2) Задача «Такие разные тетракварки».

Игорь Иванов