Изучая данные, полученные с детектора LHCb, расположенного на Большом адронном коллайдере, исследователи выявили убедительные признаки существования необычной частицы — дважды подтвержденного очарованного тетракварка. Несмотря на сложное название, которое может показаться непонятным для человека, не знакомого со Стандартной моделью, оно содержит для физиков информацию, указывающую на то, что современные научные концепции, описывающие структуру Вселенной, вероятно, нуждаются в существенной пересмотренной версии.
Изучение физики в школе формирует целостное, хотя и не исчерпывающее представление о микромире. Заинтересованные в естествознании люди часто испытывают удивление, узнавая, что мир не состоит только из протонов, нейтронов, электронов, фотонов и нейтрино. Существуют еще кварки, лептоны и бозоны, а привычные нам субатомные частицы, в свою очередь, являются сложными структурами, образованными из более фундаментальных составляющих. За исключением электронов и фотонов, которые остаются неделимыми.
Окружающая нас материя в основном состоит из барионов – тяжелых частиц, таких как стабильные нейтроны и протоны. Эти частицы имеют довольно простую структуру: каждый из них состоит из трех кварков. Также существуют нестабильные мезоны, образованные парой кварк-антикварк, однако для дальнейшего рассмотрения они не играют существенной роли. Более глубокий взгляд на эту картину показывает, что она не является исчерпывающей, поскольку относительно протона существует несколько иная информация. В любом случае, роль кварков в физике давно определена: им присвоили звание фундаментальных «кирпичиков» мироздания, из которых формируются все крупные частицы. Этот факт подтвержден с достаточной степенью достоверности, в то время как природа кварков сама по себе остается предметом длительных и пока не разрешенных дискуссий).
Существуют фундаментальные законы природы, не препятствующие объединению кварков в группы, состоящие не из двух или трех частиц, а из большего их количества. Такие необычные частицы были спрогнозированы теоретическими физиками еще в 1960-х годах. Тем не менее, до недавнего времени обнаружить их не удавалось, поскольку ученые не имели доступа к современным методам подавления шума в экспериментальных установках. Революционные изменения произошли в XXI веке благодаря прогрессу в области компьютерных технологий. И начиная с 2003 года открытия стали поступать в большом количестве: в настоящее время известно несколько десятков тетракварков (четыре кварка) и пара пентакварков (пять кварков).
Эти экзотические частицы обладают рядом общих характеристик. Прежде всего, они характеризуются крайней нестабильностью, их время жизни измеряется зептосекундами (секстиллионными долями секунды). Кроме того, хотя они и не опровергают Стандартную модель, при этом не интегрируются в неё. Проще говоря, их функция остается неясной, а возможность существования пентакварков в природе вызывает сомнения (они были получены только в результате целенаправленных экспериментов). Однако недавно обнаруженный очарованный тетракварк, зафиксированный дважды, оказался еще более необычным на фоне этих уже неординарных свойств.
Среди всех известных экзотических частиц эта является самой необычной
Об открытии необычного тетракварка было объявлено на Конференции по физике высоких энергий Европейского физического общества ( EPS-HEP) сообщили специалисты, работающие с экспериментом ЦЕРН LHCb. Это самый компактный из основных детекторов Большого адронного коллайдера. Обнаружение частицы стало возможным благодаря анализу архивных данных за период с 2011 по 2018 год, который проводился в рамках регулярного поиска ранее не зафиксированных результатов. Если какое-либо явление не было предсказано теоретически (как, например, бозон Хиггса или планета Нептун), то для его идентификации необходимо обрабатывать значительные объемы информации, полагаясь на случайность. Ранее аналогичный подход позволил обнаружить несколько десятков различных частиц.
После устранения шума с записей, полученных в результате миллионов столкновений частиц на Большом адронном коллайдере, удалось с высокой степенью достоверности определить мезон Tcc+, тот самый дважды открыто очарованный тетракварк. Его состав принципиально отличается от других подобных частиц. Он состоит из двух тяжелых, почти одинаковых по массе, частиц, схожих с протонами, c-кварка (очарованных), а также легкие u-антикварк (верхний) и d-антикварк (нижний). Эпитеты, заключенные в скобки, описывают «ароматы» частиц, то есть конкретные квантовые числа (параметры), которые определяют их фундаментальные свойства.
Уникальность ситуации заключается в том, что ранее не было зафиксировано частиц с открытым очарованием, что считалось c-кварк должен уравновешиваться c-антикварком. Но Tcc+ сломал не только этот шаблон, он еще и живет невероятно долго — единицы аттосекунд, что на два-три порядка выше, чем время распада других экзотических адронов. Отличная новость заключается в том, что имея на руках две с лишним сотни событий-кандидатов на обнаружение Tcc+ сотрудники ЦЕРН описали четкие критерии, по которым его можно засечь. Частицы, на которые распадается этот тетракварк сравнительно легко детектируются, поэтому подтвердить открытие у команд, работающих на других ускорителях не составит труда. К тому же масса Tcc+ достаточно низка, чтобы он образовывался на установках с гораздо меньшими рабочими энергиями, чем БАК.
Прорыв или революция?
Сам факт существования Tcc+ ставит перед физиками еще один вопрос — а что, если его структура не уникальна и является «шаблоном» для других подобных частиц? Тогда вполне реально существование мезона не с двумя очарованными кварками, а с одним или парой еще более тяжелых b-кварков (прелестных). Некоторые из этих частиц противоречат существующей картине мира, так как для их существования требуется время в несколько раз большее. Это указывает на то, что более массивные «родственники» Tcc+ смогут с большей вероятностью взаимодействовать с другими окружающими частицами. Таким образом, у них может быть своя роль во вселенной не только в качестве побочных продуктов субатомных взаимодействий.
Помимо всего вышеописанного Tcc+ может похвастаться целым спектром особенностей, которые научно-популярным языком объяснить архисложно. Среди них, например, есть подозрительная близость массы дважды открыто очарованного тетракварка и пары D-мезонов. Кроме того, необходимо уточнить их внутреннее строение Tcc+ в должной степени не удалось. Непонятно, представляет ли он собой «молекулу» из двух мезонов, то есть пары структур из тяжелого кварка и легкого антикварка, либо напоминает атом, где тяжелые кварки расположились компактно в центре и окружены облаком суперпозиций антикварков.
Одно ясно точно — новость о Tcc+ вызовет новый виток изысканий физиков и поиск других похожих частиц. Его обнаружение нельзя назвать совсем уж фантастической сенсацией уровня открытия бозона Хиггса, но ситуация все равно интригующая и с далеко идущими последствиями. Как минимум, это событие веско и довольно прямо намекает на мысль, о которой ученые давно задумывались: Стандартная модель ненамного более полная, чем квантово-механическая модель атома. Она работает, но только на своем уровне, а реальность гораздо сложнее, так что физикам еще копать и копать. Ну а нам — следить за грядущими великими революциями в науке, которые предвещают вот такие прорывы.