Новую частицу открыли не на LHC, а обработав данные японского коллайдера KEK.
Источник: LHC
Физики обнаружили частицу, состоящую из четырех кварков вместо привычных трех или двух.
Ученые из Германии и Пакистана Ахмед Али, Кристиан Хэмброк и Ямиль Аслам сообщили в журнале Physical Review Letters об обнаружении новой частицы. Физики проанализировали данные, накопленные в ходе экспериментов на японском ускорителе KEK в 2008 году, и пришли к выводу о том, что в ходе столкновения электронных и позитронных пучков была получена именно четырехкварковая частица – тетракварк.
Сначала – уточнения
Для адекватного представления полученных результатов необходимо сделать целый ряд пояснений, попутно развеяв многие популярные мифы о работе физиков.
- Новая частица была поймана детектором, который подал сигнал об обнаружении чего-то странного
На самом деле детекторы поймали продукты распада короткоживущей частицы, а уже по их скоростям и направлениям полета ученые восстановили параметры тетракварка. Детекторы окружают зону, в которой происходят столкновения, несколькими слоями, и их показания позволяют, в том числе, узнать траекторию разлета продуктов столкновения.
Так выглядит результат одного столкновения ядер атомов золота на RHIC - релятивистком коллайдере тяжелых ионов. Линии показывают разлетающиеся из облака кварк-глюонной плазмы частицы: их траекторию проследили при помощи расположенных в несколько слоев вокруг трубы ускорителя детекторов.
Источник: Брукхейвенские национальные лаборатории
- Эксперимент состоял в том, что один пучок электронов столкнули с одним пучком позитронов один раз, причем новую частицу засекли тут же
Столкновения пучков продолжаются в экспериментах много месяцев подряд. А данные, которые записывают детекторы, сохраняются для последующего анализа, способного занять и несколько лет.
- Кварки вылетели из электронов и сложились в новую частицу
Кварки возникли после столкновения, в электронах кварков нет. Современная физика знает несколько классов частиц – кварки (из которых сложены, в частности, протоны и нейтроны), лептоны (электрон, позитрон и разные виды нейтрино/антинейтрино) и бозоны, при помощи которых все остальные частицы взаимодействуют между собой.
Таблица элементарных частиц. Важно отметить - кварки по отдельности не встречаются, только в протонах, нейтронах и иных составных частицах!
Источник: MissMJ
- При столкновениях частицы разрушаются на составные части и ученые изучают осколки электронов или протонов
Новые частицы образуются за счет энергии разогнанных электронов и протонов, но не "вываливаются" из них. Ничего подобного в обычном мире не происходит, но при столкновениях электрон-позитронных пучков с высокой энергией дополнительные частицы в буквальном смысле слова рождаются из ниоткуда. Нет, законы сохранения по-прежнему работают: рождение новых частиц отнимает энергию у тех, которые сталкиваются.
- Тетракварка никто не ожидал
На самом деле совершенно неожиданные события встречаются крайней редко. Ранее ученые в других экспериментах регистрировали события, которые можно было интерпретировать, в том числе, и как рождение тетра- и даже пентакварков – то есть частиц из четырех или, соответственно, пяти кварков вместо привычных трех или двух.
Отдельно стоит сказать, что теорий, предсказывающих новые частицы, очень много. Наряду с так называемой Стандартной моделью (это основная модель современной физики, описывающая элементарные частицы и их взаимодействие) теоретики разрабатывают несколько десятков возможных описаний окружающего нас мира, и с большую часть таких альтернативных моделей еще даже не проверили экспериментально. Каждая новая частица – это шанс проверить в том числе и новые идеи.
Так что же там было?
Согласно расчетам Али и коллег, обнаруженный ими тетракварк состоит из одного b-кварка, одного u-кварка и двух их античастиц – анти-b и анти-u. Именно такая комбинация, по мнению ученых, образовалась в эксперименте, где изначально рассчитывали получить мезоны, состоящие из пары b-кварка и его "антипода".
- Еще немного терминологии
-
Частицы, в которых есть один кварк и один антикварк, называются мезонами. Почему "мезонами"? От греческого корня μέσος, "средний", их масса есть нечто среднее между массой протона и электрона.
Первоначальная обработка полученных в 2008 году данных выявила некоторую аномалию – время, за которое гипотетические мезоны распадались и порождали другие частицы, оказалось много меньше теоретически предсказанного. Следовало либо найти другое объяснение тому набору частиц, который зафиксировали детекторы японского коллайдера KEK, либо и вовсе пересмотреть теорию, описывающую поведение мезонов.
Редко попадающая в кадр часть ускорителей - фрагмент высоковольтной установки для предварительного разгона элементарных частиц.
Источник: Joe Nishizawa - KEK
В итоге немецко-пакистанская группа, обрабатывающая данные японского эксперимента (обычная для физики степень международной кооперации) остановилась на объяснении, задействовавшим тетракварк. Вместо ожидаемого мезона получилась комбинация из четырех кварков, а ее короткое время жизни уже вполне соответствовало теории. Тетракварки, которыми пытались ранее объяснить другие результаты опытов, тоже неусточивы, так что выделить их отдельно и поймать в какую-нибудь специальную ловушку рассчитывать не приходится.
Что дальше?
На сегодняшний день никакого практического значения тетракварки не имеют. Более того, вся физика элементарных частиц сама по себе оперирует в настоящее время такими энергиями, которые в сотни тысяч или даже миллионы раз больше энергий, проявляющихся в ядерных реакциях. Причем речь идет об энергии частиц: отдельные электроны, протоны или ядра атомов разгоняются до энергии, превосходящей энергию атомов внутри ядерной бомбы в момент взрыва.
Рассказ (англ.) о ускорителе RHIC
Источник: Брукхейвенские национальные лаборатории
Столь высокая энергия в очень маленьких масштабах на сегодня практически бесполезна, но это не означает того, что постройка ускорителей себя не оправдывает. У ученых, занятых поиском тетракварков, бозона Хиггса и прочих частиц, есть как минимум два аргумента в пользу своей работы.
Во-первых, невозможность использовать частицы столь высоких энергий сейчас не означает того, что в будущем это окажется бесполезным. Ядерная физика еще сто лет назад тоже показалась бы малопрактичной, однако ее развитие позволило создать принципиально новые электростанции и самый мощный вид вооружений в истории.
Единая теория поля, для создания которой требуются эксперименты на ускорителях, вполне может в итоге дать и технологии управления гравитацией. Или просто понимание того, почему мы живем именно в таком мире, который видим вокруг себя – почему в нем практически нет антивещества и что из себя представляет темная материя.
Во-вторых, уже сейчас созданные для постройки ускорителей технологии могут найти применение в обычной жизни. Чувствительные детекторы могут засекать не только рождение частиц, но и возникновение лесных пожаров, а создание ускоряющих блоков для коллайдеров потребовало разработать специальную технологию обработки ниобиевых сплавов – применяемых везде, где нужно сочетание жаростойкости, химической инертности и способности противостоять коррозии.
