«Тетракварки — это Дикий Запад»

Что такое четырехароматный кварк и как его удалось обнаружить. (Сложность 8.3)

Три месяца назад физики из коллаборации DZero сообщили об открытии новой частицы — тетракварка X (5568). Самым удивительным его свойством оказался кварковый состав — все четыре кварка оказались обладателями разных квантовых ароматов, чего раньше исследователи не встречали. При ближайшем рассмотрении можно обнаружить еще один необычный факт: частица была обнаружена в архивных данных ныне закрытого предшественника LHC — Тэватрона. С вопросами о том, как ей удалось «скрываться» более пяти лет от внимательных физиков, первооткрывателей топ-кварка, мы обратились к руководителю коллаборации, Дмитрию Денисову.

N+1: Чтобы разобраться с открытием, начнем с самых основ. А что такое тетракварки? Какое место они занимают среди всех частиц? Ведь ранее было открыто много тетракварков.

Дмитрий Денисов: Когда кварки были предсказаны в середине 60-ых годов, это была попытка объяснить мир элементарных частиц, которые физики начали в тот момент открывать. Был целый зоопарк разных частиц: пи-мезоны, K-мезоны, протоны, нейтроны и их трудно было классифицировать. Это сравнимо с тем, что было два столетия назад: химики знали массу химических элементов, реакции между ними, но не была понятна их классификация. И, как двести лет назад ее придумал Менделеев, так всего пятьдесят лет назад кварковую систему элементарных частиц предложил Гелл-Манн. В своей статье он писал, что все частицы, которые мы наблюдаем, можно классифицировать — либо как мезоны, которые состоят из двух кварков, кварка и антикварка, либо как барионы, состоящие из трех кварков, например как протон и нейтрон. Там же Гелл-Манн написал, что в принципе могут быть состояния, состоящие и из четырех кварков — тетракварки, — пяти кварков и более сложные объекты.

Такие состояния действительно оказались возможны и на протяжение последних 10-12 лет ученые открывают частицы, которые, похоже, состоят из четырех и иногда даже из пяти кварков. Какую роль играют эти частицы в природе? Хороший вопрос. На сегодняшний день ни теоретики, ни экспериментаторы не очень понимают, зачем нужны эти тетракварки и пентакварки. Сейчас наша задача более простая — мы пытаемся посмотреть, образования кварков какого типа существуют в природе, какие у них массы и какие у них свойства. По аналогии с шестидесятыми, после того, как будет открыто много таких объектов, мы сможем построить более логичные предсказательные модели того, как эти кварки складываются в состояния из четырех, пяти и, возможно, более частиц.

N+1: Почему новый тетракварк можно назвать особенным?

Д. Д.: Поскольку на сегодняшний день у нас нет теории, которая объясняет, как эти кварки между собой связаны, мы пытаемся открыть как можно больше частиц, которые можно интерпретировать как четырехкварковые состояния. Конечно, одна из наиболее интересных интерпретаций этих состояний это кварковый состав. Мы можем с большой долей вероятности сказать, что состав нового тетракварка можно назвать уникальным. В нем есть четыре кварка разного аромата: u (верхний), d (нижний), s (странный) и b (прелестный). Является ли это какой-то очень важной чертой тетракварков в целом — мне трудно сказать. Но мы надеемся, что это открытие поможет теоретикам, которые должны будут из этих кусочков кроссворда каким-то образом собрать картину. Все кварки, которые в этом тетракварке есть, обладают разными массами, причем два из них, s- и b-кварки, тяжелые. Наверное, это говорит нам о природе тетракварков.

Все тетракварки, которые были обнаружены ранее, как правило, содержали парные кварки одного типа. Например, b- и анти-b-кварки и пара легких кварков, скажем, u- и анти-u-кварки. То есть у нас были два нейтральных объекта, которые в этом тетракварке были как-то связаны. В нашем случае, из-за того, что все кварки разные, это объект нового типа.

N+1: Как так получилось, что частицу обнаружили уже спустя 5 лет спустя закрытия коллайдера?

Д. Д.: Есть два момента. Во-первых, гораздо проще открывать заранее предсказанные объекты. Например, бозон Хиггса. По большому счету для нас, экспериментаторов, теоретики предсказали все свойства этой частицы с очень хорошей точностью. Мы на Тэватроне чуть-чуть не дотянули его открыть. Мы знали все, кроме его массы — моды (способы — прим. ред.) распада, сечение образования (характеристика вероятности возникновения частицы — прим. ред.). В предсказанных теоретиками каналах распада бозон Хиггса и был найден.

В чем проблема с тетракварками? Опять же, пока не существует модели, которая предсказывала бы их свойства. Мы не знаем, какие массы этих частиц должны быть, какие кварковые составы, на какие частицы они могут распадаться, с какой вероятностью. Эта область похожа на 50-ые и 60-ые, когда физики на разных ускорителях — в Протвино, ИТЭФе, Брукхейвене — открывали частицы с разными массами. Все, что происходит сегодня с тетракварками, это как Дикий Запад, поэтому пока трудно предсказать, когда и какой тетракварк будет открыт.

Во-вторых, надо понимать, что на Тэватроне, как и на других коллайдерах — LHC, например, — мы набрали огромный объем данных. Представьте себе одно столкновение протона с антипротоном. В нем рождаются десятки частиц. Какие из них нужно выбрать для того, чтобы увидеть новую частицу — непростой вопрос. В конце концов нам нужно было выбрать пять заряженных частиц с очень определенными параметрами.

N+1: И все же, поиски в архивных данных — вы искали конкретную частицу?

Д. Д.: Мы, на самом деле, занимались прошлым летом поиском немного других объектов. Мы хотели посмотреть, можем ли мы увидеть то же, что и LHC, подтвердить открытие пентакварка коллаборацией LHCb. Затем мы решили посмотреть, — «а если здесь не протон, а если мы добавим пи-мезон?», «а может ли в этих распадах что-то быть?». И действительно, мы практически сразу увидели большой пик, который в случае элементарных частиц говорит о том, что какая-то частица была создана и потом распалась на эту цепочку из пяти заряженных частиц. После многократных проверок оказалось, что с большой вероятностью она является новым кандидатом в тетракварки.

То, что частица в конце концов была открыта именно на Тэватроне — не удивительно. Как вы видите, масса этого объекта относительно небольшая — около 5,5 гигаэлектронвольт. То есть энергии, которая есть на Тэватроне, более чем достаточно для того, чтобы такие частицы рождать. Для этого не нужен LHC — это не какой-то объект с массой 1 или 2 тераэлектронвольта, когда энергии в системе центра масс в Тэватроне просто не хватает. А поскольку энергия у нас меньше, чем у LHC, то и вторичных частиц у нас рождается меньше. Благодаря этому, для таких объектов как этот тетракварк, соотношение сигнал-фон оказывается лучше.

Мы пытаемся сохранить данные Тэватрона в такой форме, чтобы их можно было анализировать еще 5-10 лет. Если теория тетракварков и пентакварков будет развита и будут предсказаны какие-то другие состояния, у нас будет возможность посмотреть в наши данные — рождплись ли такие частицы на Тэватроне. Проблема в том, что без теоретических предсказаний трудно понять, какие комбинации рождающихся частиц надо изучить. А в каждом из накопленных миллиардов столкновений рождаются сотни частиц. Вот почему открытие потребовало 5 лет. И опять-таки, в некотором смысле это была случайность.

N+1: В комментарии журналу Symmetry Вы сказали о том, что научная группа сначала не поверила в то, что пик связан с новой частицей. Почему?

Д. Д.: Конечно, мы относимся критично к любому из наших результатов. Сначала мы смотрим на различные гистограммы, видим нечто похожее на пик в массовом спектре, который обычно соответствует частице. Но может быть много технических проблем, которые могут сымитировать такой пик. Это может быть каким-либо совпадением заряженных треков, а их пять в нашем случае. Попарно они образуют другие частицы, например, пара мюонов образуют J/ψ-частицу, пара каонов образует φ-частицу. Я помню, первый месяц мы думали «вообще как-то нет, ну не может этого быть, где-то что-то мы не так сделали». Для меня одним из наиболее важных моментов было то, что в коллаборации появилось большое возбуждение, все были заинтересованы, что это может быть новый объект.

Мы попросили участников из нашей коллаборации, которые не занимались этим анализом, повторить поиск объекта. Конечно, на данных тех же самых протон-антипротонных соударений, но их собственным методом. Они повторили, и все получилось точь-в-точь, то же пик, в том же месте, с теми же параметрами. Это нас сильно уверило в том, что это не экспериментальная ошибка или какое-то неправильное измерение, а что на самом деле в природе есть новая частица. Когда это понимание пришло, мы все очень обрадовались.

N+1: А как этот объект распадается?

Д. Д.: Сначала этот объект, мы назвали его X(5568), распадается на B0­S-мезон, который состоит из b-кварка и s-кварка и пи-мезон, который состоит из u-кварка и d-кварка. Это первый распад, он происходит быстро, за время порядка 10-23 секунды. При этом распаде по сильному взаимодействию кварковый состав не может поменяться. По продуктам распада мы предсказываем, что тот объект, который распался, состоял из четырех разных кварков.

N+1: А почему именно X(5568)?

Д. Д.: Поскольку никакой систематизации или классификации этих частиц нет, мы следуем рекомендациям из Particle Data Group, Беркли, которая систематизирует все частицы. В данном случае они рекомендуют называть эту частицу X и добавлять ее массу в скобках. Потом такие частицы часто переименовывают, если станет более понятен кварковый состав или действительно предложат какую-то общую классификацию этих тетракварков, но пока мы решили назвать ее так.

N+1: Я слышал, что есть вопросы, касающиеся его внутреннего строения — является ли он частицей из двух связанных мезонов, или все кварки внутри него равносвязанны? Как можно определить его строение?

Д. Д.: Для того, чтобы ответить правильно на этот вопрос, нужно развить теорию тетракварков – как кварки связываются, через пи-мезоны или через глюоны. Прежде чем опубликовать результаты, мы поговорили с физиками-теоретиками. Большинство из них сходится к тому, что скорее всего тетракварк представляет собой не два мезона, а жестко связанные четыре кварка.

N+1: Почему?

Д. Д.: Здесь основным аргументом является энергия связи. Мы можем посмотреть на массу этого объекта и сравнить ее с массой объектов, на которые он распадается. Оказывается, что если бы это была «молекула» типа мезон+мезон, то обычно энергия связи этого объекта составляет единицы-десятки мегаэлектронвольт. В нашем случае, если просто посчитать разницу между массой X (5568) и массой объектов, на которые он распадается, окажется, что это больше 100 мегаэлектронвольт. То есть кварки связаны достаточно жестко — это не «рыхлая» молекула, в которой на больших расстояниях находятся два мезона.

N+1: Насколько мне известно, новые частицы открывают, собирая статистику столкновений других частиц — к примеру, пентакварк на LHC открыли изучая статистику столкновений протон-протон. Тэватрон же сталкивал протоны с антипротонами. А в чем разница между этими процессами? Могут ли увидеть этот тетракварк на LHC?

Д. Д.: Небольшая разница есть — в некотором смысле мы сталкиваем антикварки в антипротоне с кварками в протоне. Но для большинства процессов это не принципиально. Когда мы сталкиваем кварк и антикварк, как правило рождаются десятки и сотни частиц. То есть в самом столкновении мы рождаем огромное количество кварк-антикварковых пар различного типа, которые каким-то образом, если они оказались в пространстве близко друг к другу, объединяются в более сложные объекты.

Но когда мы рождаем дополнительные кварк-антикварковые пары из вакуума, просто за счет энергии взаимодействия, это не важно — было ли первоначальное столкновение кварк-кварк или кварк-антикварк. Пары все равно будут рождаться в большом количестве. На LHC их, конечно, будет рождаться больше, потому что энергия столкновения больше, и это хорошо. Но проблема LHC в том, что поскольку энергия больше, то и вторичных частиц, рождающихся в параллели к тетракварку, тоже, как правило, гораздо больше, что усложняет выделение тетракварков.

N+1: То есть начинает портиться соотношение сигнал-фон?

Д. Д.: Совершенно верно. Скорее всего, соотношение сигнал к фону для LHC не будет таким хорошим как на Тэватроне. Но, с другой стороны, статистика на LHC гораздо больше и она может позволить выделить эту частицу.

Конечно, после того, как мы опубликовали эту статью, мы поговорили с нашими коллегами из CMS и LHCb — экспериментами, также занимающимися этой тематикой. Они очень заинтересованы. Я знаю, что у них идут обсуждения о том, как это состояние увидеть, как его определить. Я думаю, ждать результатов LHC не так долго осталось.

Но не забывайте, что на Тэватроне было два эксперимента — кроме DZero был еще CDF. У этого эксперимента возможности по наблюдению этой частицы ничуть не хуже, чем у DZero, а может даже и лучше. Причина того, что они этот тетракварк не увидели, потому что открытие было случайным, а не предсказанным теоретиками.

Конечно, физики из CDF проанализируют свои данные на предмет существования этой частицы, уже зная, где искать. Я надеюсь, что в течение месяца-полугода-года другие коллаборации свое слово скажут. Ведь пока открытие не подтверждено оно остается под знаком вопроса.

N+1: А до какого количества кварков внутри одной частицы мы можем «разогнаться»? Условно говоря, чтобы открыть гексакварк, нужны бóльшие энергии столкновений? Какие есть фундаментальные проблемы, связанные с этим?

Д. Д.: Можно идти и дальше по числу — почему не десять, почему не пятнадцать, двадцать? Мы возвращаемся к первоначальному обсуждению того, что на сегодняшний день стройных моделей таких тяжелых объектов физики не создали. Но, конечно, чем больше объектов внутри частицы, тем сложнее ее теоретически описать. Из общих соображений: никаких фундаментальных причин, почему не может быть объектов с большим количеством кварков, видимо, не существует. Но в физике элементарных частиц есть такое правило. Если какая-то частица может распадаться на более легкие частицы, и этот распад не запрещен законами сохранения — заряда, импульса, квантовых чисел, то эта частица всегда распадется. Иногда она распадается настолько быстро, что не успевает даже образоваться, сформироваться.

Чем больше кварков, тем частица более тяжелая и тем больше у нее вероятности распасться быстро, не сформировавшись в реальную частицу. Поэтому мне кажется, что где-то должен быть предел. Вот например тетракварки и пентакварки — их все-таки «на пальцах» можно посчитать. Если это число кварков внутри частицы становится гораздо больше, то они теряют стабильность.

Возьмем пример атомных ядер — мы знаем, что где-то до 100-го атомного номера они могут быть образованы. Более тяжелые ядра не существуют. Я думаю, что в кварках что-то похожее. По аналогии с Периодической системой должен быть предел.

N+1: Нужны ли для этого более высокие энергии и более мощные ускорители?

Д. Д.: Наверное, нет. Как мы с вами обсуждали — пусть у нас будет пять кварков. Самая большая масса у стабильного кварка — b-кварка — 5 гигаэлектронвольт. Пять таких кварков это всего 25 ГэВ. На Тэватроне мы образуем W- и Z-бозоны с массами почти 100 ГэВ, t-кварк с массой почти 200 ГэВ. То есть энергии чтобы образовать такие объекты у нас достаточно. Я не думаю, что для того, чтобы такие объекты получить нам нужны гораздо более мощные ускорители.

Когда теория для многокварковых частиц будет построена, я не исключаю, что в тех данных, что уже набраны, такие объекты можно будет найти. Может в каких-то более экзотических модах распада, но тем не менее. Именно поэтому мы стараемся все наши данные сохранить на много лет.

N+1: Какие следующие планы DZero?

Д. Д.: Наша коллаборация очень активна – в 2015 году мы опубликовали около 20 статей. Мы делаем много интересных прецезионных измерений. У нас есть хорошо определенный план: осталось полтора-два десятка измерений, которые мы хотели бы закончить. К примеру, мы заканчиваем очень прецезионные измерения массы топ-кварка и W-бозона. Их массы очень важны даже для определения стабильности Вселенной — это фундаментальные константы в природе. У нас есть большие группы, которые пытаются независимо от LHC очень точно провести эти измерения. Тот факт, что мы сталкивали протоны и антипротоны, оказывается, на практике нам очень помогает для того чтобы провести высокоточные измерения.

Сейчас, в результате открытия тетракварка у нас заметно активизировалась работа по поиску других новых частиц. Как и всегда, какое-то новое наблюдение и новое открытие стимулирует физиков посмотреть глубже в те данные, которые есть. Это то, что в течение ближайшего года-двух мы будем делать.

N+1: А что сейчас с Тэватроном?

Д. Д.: Коллайдер сейчас закрыт, выключен. Кольцо находится под землей. Магниты все на месте и все в рабочем состоянии. Его можно включить, никто ничего не разбирал. Установка D0 (DZero) осталась практически без изменений и ее тоже можно включить. Но это, конечно, требует значительных расходов и ресурсов, поэтому для этого должны быть очень серьезные научные причины. На сегодняшний день мы превратили Тэватрон в музей, ежегодно к нам приходят тысячи людей. Студенты и школьники с удовольствием приходят, мы им рассказываем как был открыт топ-кварк, как были открыты здесь многие другие частицы.

Беседовал Владимир Королёв