В японском ускорителе нашли новую частицу

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.

 

 

• 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.

 

• 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.

 

 

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.

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.