Международная группа исследователей, занятых в эксперименте Belle (http://belle.kek.jp/) на B-мезонной фабрике Организации исследований в области ускорителей высоких энергий (High Energy Accelerator Research Organization, KEK, www.kek.jp) в Цукубе (Япония), объявила об открытии трех новых экзотических субатомных частиц, обозначаемых как Z1, Z2 и Yb. Заряд Z1 и Z2 равен единице, от «нормальных» мезонов, состоящих из кварк-антикварковых пар, они отличаются тем, что обладают сразу четырьмя кварками. Частица Yb по своей структуре может быть описана как первый подтвержденный пример экзотической гибридной частицы, которая содержит тяжелый «красивый» (или «прелестный» – beauty, bottom) кварк и соответствующий антикварк – как в обычном мезоне – плюс (что необычно) глюон в энергетически возбужденном состоянии.
За последние несколько лет физикам-ядерщикам удалось обнаружить множество специфических новых частиц, включая X (3872), Y (4260), X (3940), Y (3940). В качестве первооткрывателей часто выступали ученые, входящие в коллаборацию Belle (которая объединяет усилия свыше 360 различных исследователей из 59 институтов, университетов и лабораторий от 14 разных стран), а также специалисты, занятые в известном эксперименте BaBar (www-public.slac.stanford.edu/babar/) Стэнфордского центра линейного ускорителя (Stanford Linear Accelerator Center – SLAC, www.slac.stanford.edu). Массы этих новых частиц лежат в области 4-4,5 протонных масс, распадаются они на J/пси-частицы («джи-пси») и пи-мезоны. J/пси, как и все пси-частицы, представляют собой пример так называемых «чар-мониев» – то есть мезонов, образованных связью «чармированного» (или «очарованного», charm) кварка и его соответствующей античастицы («античармированного» кварка). В прошлом году группа Belle сообщила о первой экзотической частице, содержащей чармированный и античармированный кварк и обладающей при этом электрическим зарядом, отличным от нуля. Его обозначают как Z (4430).
Кварки и антикварки наряду с лептонами принадлежат к числу самых фундаментальных (неделимых, а точнее говоря, бесструктурных с точки зрения современной физики) компонентов окружающей нас материи и имеют по шесть различных разновидностей, или «ароматов»: «верхний» (up), «нижний» (down), «странный» (strange), «очарованный» (или «чармированный», charm), «красивый» (beauty или bottom) и «истинный» (truth или top), – и обычно объединяются в пары или троицы, формируя другие частицы – мезоны и барионы, которые скрепляются за счет ядерных сил (или «цветных», иначе говоря, сильных взаимодействий, переносчиками которых являются другие частицы – глюоны). Так, мезоны содержат кварк и антикварк, в то время как барионы состоят из трех кварков или трех антикварков. Два «верхних» и один «нижний» кварк образуют протон, а странный кварк и антикварк в совокупности дают отрицательный каон (ка—мезон).
Z1 и Z2 были найдены в продуктах распада B-мезонов (то есть мезонов, содержащих «красивый» кварк, второй по тяжести после «истинного» t-кварка), которые в большом количестве производятся на B-фабрике KEKB (www.kekb.kek.jp) – электронно-позитронном коллайдере, работающем в лаборатории KEK. Группа Belle занималась поиском новых состояний, которые распадаются на пи-мезон и так называемый хи-суб-си1-мезон («chi-sub-c1» meson), который представляет собой еще один известный пример мезона-чармония. Масса Z1 составила 4051 МэВ (мегаэлектронвольт), а Z2 – 4248 МэВ. То, что электрический заряд как Z1, так и Z2 отличен от нуля, роднит их с частицей Z (4430). Известно, что для построения составной частицы, обладающей зарядом, равным единице, необходимо по крайней мере два дополнительных кварка (например, «верхний» (up) кварк и «нижний» (anti-down) антикварк). Поэтому данные относительно экзотических частиц с электрическим зарядом, отличным от нуля, привлекают особое внимание всего научного сообщества. Открытие Z1 и Z2 вслед за прошлогодней Z (4430) не только дает в руки физиков дополнительные свидетельства существования частиц, состоящих из четырех кварков – тетракварков (еще несколько лет назад считавшихся сугубо гипотетическими), но и указывает на то, что первая частица с четырьмя кварками – это не какой-то уникальный случай, и должно быть гораздо больше таких частиц.
Пси—частицы – общее название группы нейтральных мезонов со спином 1 и отрицательной внутренней четностью, имеющих близкие свойства и значения масс, лежащие в интервале 3-4 ГэВ. Первая из этой группы частиц (так называемая J/пси—частица) с массой около 3,1 ГэВ открыта в 1974 году почти одновременно двумя коллективами физиков: С.Тингом (S.Ting) с сотрудниками при изучении спектра масс электрон—позитронных пар, образующихся в столкновении протонов при энергии 30 ГэВ; Б.Рихтером (B.Richter) с сотрудниками в экспериментах на встречных электрон—позитронных пучках при исследовании энергетической зависимости сечения аннигиляции в диапазоне энергий в системе центра инерции 2,4-4,8 ГэВ.
«Физическая энциклопедия», М., 1994
Открытия экзотических частиц, содержащих чармиро-ванный и античармирован-ные кварки, стимулировали поиск гипотетических «собратьев» таких резонансов, в которых место чармирован-ных кварков занимают пары «красивых» кварков и антикварков. В 2005 году на BaBar в SLAC действительно обнаружили новое состояние, получившее обозначение Y (4260), которое распадалось на J/пси-частицу и два пиона. Y (4260) может рассматриваться как пример «гибридной частицы», содержащий чармирован-ный кварк и античармиро-ванный кварк, связанные глюоном в возбужденном состоянии. А вот структура Yb может считаться первым примером экзотического подобия Y (4260), где места чармированной пары кварка и антикварка занимают «красивый» кварк и антикварк. Частица Yb была найдена группой Belle, изучавшей энергетический спектр, позволявший реконструировать информацию по продуктам распада частиц, порождаемых KEKB. Изучая продукты взаимодействия одного из «боттоми-ев» – то есть мезона, состоящего из «красивой» пары кварк-антикварк – так называемого «ипсилона», – и двух пионов (пи-мезонов), физики Belle обратили внимание на весьма существенный пик в районе 10 890 МэВ (мегаэлектрон-вольт), свидетельствующий о случаях рождения новой частицы-резонанса, снова распадающейся затем на «ипсилон» и два пиона. В принципе, остаются и другие возможности для интерпретации этого результата, однако данное сообщение уже привлекло внимание физиков-ядерщиков, видящих в нем первый пример рождения еще одного экзотического боттомия.
Частицы, испытывающие на себе сильное взаимодействие, в современной физике считаются не фундаментальными, а составными. Это адроны. Имеется два известных типа адронов: мезоны (состоящие из кварк-антикварковых пар, скрепленных сильным взаимодействием) и барионы (состоящие из трех кварков). Открытие группами Belle и BaBar новых экзотических частиц позволило заговорить о существовании принципиально новых классов адронов, состоящих из большего числа кварков (четверок, пятерок и т.д.), соединенных сильным взаимодействием (переносчиками которого являются «склеивающие» кварки глюоны). Обнаружение Z1, Z2 и Yb говорит о том, что таких частиц может быть очень много, причем среди них имеется ряд систем, содержащих «красивые» b-кварки. Теперь становится критически важным найти правильное описание всего спектра экзотических частиц, чтобы, в частности, понять явление конфайнмента – то есть невылетания (невысвобождения) кварков. Это явление приводит к тому, что в свободном виде кварки не встречаются, они всегда связаны сильным взаимодействием, формируя таким образом все окружающее нас барионное вещество и еще целый ряд быстрораспадающихся частиц-резонансов.
Максим Борисов
Источник:
Belle Discovers Three New Mesons (www. kek.jp/intra-e/press/2008/BellePress13e. html) – High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
Краткое разъяснение эксперта:
Z1 и Z2 имеют следующую структуру: (с anti-c u anti-d). С массами у них все в порядке.
Это тетракварки, т.к. имеют ненулевой заряд и, соответственно, не могут быть (с anti-с) состояниями чармония. (arXiv: 0806.4098).
Yb – это состояние (b anti-b). Его масса около 10.9 ГэВ. Возможная интерпретация как возбужденное состояние b anti-b или b anti-b + возбуж-денный(?) глюон. Проблема состоит в том, что этот резонанс имеет большую ширину – около 600 кэВ, примерно в 400-500 раз шире, чем соседние резонансы, которые также (b anti-b) состояния. Мне кажется, что у теоретиков нет ясного понимания по этому вопросу (см., например, arXiv: 0710.2577 и последующие ссылки на эту работу).
Юрий Куденко, ИЯИ РАН, д.ф.-м.н., зав. лабораторией