Обнаружена самая долгоживущая экзотическая частица, которая изменит современную физику

Курс физики в общеобразовательной школе дает настолько же стройную, насколько и неполную картину микромира. Каждый интересующийся естественными науками человек рано или поздно сталкивался с этим шоком — оказывается, протонами, нейтронами, электронами, фотонами и нейтрино все не ограничивается. Есть еще кварки, лептоны, бозоны, а «привычные» нам субатомные частицы вообще представляют собой «суп» из гораздо более мелких элементов. Ну, кроме электронов и фотонов — с ними все, как и было, они неделимы.

Почти вся материя вокруг нас состоит из барионов, то есть тяжелых частиц: стабильных нейтронов и протонов. Они, в свою очередь, устроены сравнительно просто— по три кварка в каждом. Существуют еще нестабильные мезоны, составленные из пары кварк-антикварк, но в рамках этой истории они не так важны. Если уж совсем углубляться, то эта картина все равно не полная, поскольку относительно протона есть несколько иная информация. В любом случае, насчет роли кварков физики давно определились, присудив им звание фундаментальных «кирпичиков» мироздания, из которых «набираются» все крупные частицы. И уж это точно доказано с достаточной степенью достоверности (а вот чем они сами образованы — вопрос долгих и пока никак не приближающихся к разрешению споров).

Проблема в следующем. Нет таких законов природы, которые запрещали бы кваркам собираться не по два или три, а в больших количествах. Подобные экзотические частицы были предсказаны сразу несколькими физиками-теоретиками еще в 1960-е годы. Однако, из-за того, что продвинутыми средствами фильтрации шума на экспериментальных установках ученые до недавнего времени не располагали, обнаружить их не получалось. Ситуация кардинально изменилась в XXI веке на фоне развития компьютерной техники. И уже с 2003 года открытия посыпались, как из рога изобилия: на сегодняшний день известно несколько десятков тетракварков (четыре кварка) и пара пентакварков (пять кварков).

Все эти экзотические частицы объединяет сразу несколько общих свойств. Во-первых, они крайне нестабильны и время их жизни исчисляется зептосекундами (секстиллионными долями секунды). Во-вторых, они хоть и не противоречат Стандартной модели, но при этом в нее не вписываются. Иными словами, их роль совершенно непонятна, а существование пентакварков в природе и вовсе под вопросом (их получали только намеренно в ходе специальных экспериментов). Но недавно обнаруженный дважды открыто очарованный тетракварк даже на этом необычном фоне умудрился выделиться.

Самая экзотическая из всех экзотических частиц

Об открытии необычного тетракварка на Конференции по физике высоких энергий Европейского физического общества (EPS-HEP) сообщили специалисты, работающие с экспериментом ЦЕРН LHCb. Это самый маленький из главных детекторов Большого адронного коллайдера (БАК). Частицу обнаружили в архивных данных 2011-18 годов, когда просеивали их в ходе рутинного поиска «пропущенных» открытий. К сожалению, если какое-то явление заранее не предсказано теоретиками (как было с бозоном Хиггса и планетой Нептун), для его выявления требуется обработка огромного объема информации буквально «на удачу». Ранее таким же методом уже были найдены несколько десятков различных частиц.

Энергетический пик на показаниях детектора, соответствующий Tcc+ / ©CERN

Отсев шума с записей о миллионах проведенных на БАКе столкновений частиц позволил с большой уверенностью идентифицировать мезон Tcc+, тот самый дважды открыто очарованный тетракварк. От всех прочих подобных частиц он разительно отличается составом. В нем соединены два тяжелых, почти равных массе протона, c-кварка (очарованных), а также легкие u-антикварк (верхний) и d-антикварк (нижний). Эпитеты в скобках означают «ароматы» частиц, то есть определенные квантовые числа (параметры), характеризующие их фундаментальные свойства.

Странность здесь в следующем: никогда ранее не наблюдались частицы с открытым очарованием, считалось, что 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 таких частиц совершенно ломают картину мира, поскольку они должны «жить» еще минимум на порядок-два дольше. Это означает, что более тяжелые «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. Вдобавок к этому прояснить 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.