Пресс-центр

В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ обсудили пентакварки

В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ прошел совместный семинар Отделения физики высоких энергий и Отделения теоретической физики, на котором ученые обсудили результаты эксперимента LHCb по поиску и определению свойств пентакварков со скрытым очарованием. На семинаре были изложены как сами результаты, так и их теоретическая интерпретация. Были предложены способы определить на что больше похожи открытые частицы – на кластер из кварков или адронную молекулу.

Кварки и антикварки, хотя и являются самостоятельными элементарными частицами, не встречаются в природе по-отдельности, а образуют строго определенные связанные состояния, называемые адронами. Два самых широко распространённых типа адронов – это барионы (три валентных (анти)кварка) и мезоны (пары кварк-антикварк). Однако еще в своей пионерской работе, в которой была предложена концепция кварков, американский теоретик Марри Гелл-Манн указал, что возможны и другие комбинации, например, тетракварки ( ) или пентакварки ( ). В 2015 году эксперимент LHCb, провозящийся на Большом адронном коллайдере, объявил об открытии тяжелых пентакварков со скрытым очарованием – частиц, состоящих из четырёх кварков и одного антикварка, причем в их состав входит пара тяжелых кварков – . С тех пор экспериментаторы продолжают свои исследования этих частиц, но, вопреки ожиданиям, новые результаты делают ситуацию чуть более запутанной с теоретической точки зрения. Сложившаяся ситуация стала предметом обсуждения на совместном семинаре экспериментаторов и теоретиков НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ, который состоялся в конце мая.

Старший научный сотрудник ОФВЭ Алексей Дзюба рассказал о том, что известно о пентакварках с экспериментальной точки зрения:

• Данные свидетельствуют о том, что часть распадов прелестного бариона Λ_b⁰ (частицы, состоящий из udb кварков) на протон (uud), K^--мезон ( ) и J/ψ-мезон ( ) совершается через промежуточные пентакварковые резонансы – Λ_b⁰→K^-P_c⁺(→p J/ψ).
• Амплитудный (модельнозависимый) анализ проведенный на данных, набранных в ходе первого этапа работы БАК, показал, что для описания процесса Λ_b⁰ →J/ψpK^- необходимо включить два довольно широких состояния: P_c(4380)⁺ и P_c(4450)⁺.
• Данные второго этапа работы БАК позволили поднять статистику в 10 раз! В спектре масс системы p J/ψ проявляются две пиковые структуры: узкая – P_c(4312)⁺ и широкая, которая в свою очередь расщепляется на P_c(4440)⁺ и P_c(4457)⁺. При этом, полный амплитудный анализ еще не выполнен, квантовые числа обнаруженных состояний пока не известны, а вопрос наличия состояний с большой шириной остается открытым, так как проведенный анализ не чувствителен к таким частицам.
• Открытые узкие резонансные структуры располагаются чуть ниже энергетических порогов образования частиц с открытым очарованием: Σ_c⁺анти-D⁰ and Σ_c⁺анти-D^*0 (то есть масса резонансов чуть-чуть ниже, чем сумма масс пар таких адронов). Такая близость к энергетическим порогам открывает возможность интерпретации узких резонансов как слабосвязанных мезон-барионных состояний (т.е. пентакварк похож на молекулу). С другой стороны, не отвергнута и возможность объяснения открытых резонансов как сильносвязанного –кластера (смотри рис. 1).

Во второй части семинара руководитель Отделения теоретической физики Виктор Петров обрисовал ситуацию с теоретической точки зрения. Он отметит, что и молекулярное, и кластерное объяснения имеют право на жизнь. Так, в подходе Борна-Оппенгеймера можно получить форму потенциала взаимодействия системы . Она приведена на рисунке 2. На малых расстояниях между очарованными кварками он похож на так называемый корнуольский потенциал (Cornell potential), которым описываются чармониевые состояния, а на больших он переходит в ядерный потенциал. Для этой картины характерно наличие двух «ям», в которых возможно формирование как кластерного состояния (адрочармония, hadrocharmonium), так и адронной молекулы.

Модель адронной молекулы выглядит чрезвычайно привлекательно из-за близости резонансных состояний к порогам открытия Σ_c⁺анти-D⁰ и Σ_c⁺анти-D^*0 каналов. Однако, при ближайшем рассмотрении эта модель наталкивается на некоторые трудности:

• если предположить, что за формирование структуры в районе масс 4450 МэВ несет ответственность за обмен π-мезонами, то очень сложно объяснить ее расщепление на P_c(4440)⁺ и P_c(4457)⁺.
• В системе Σ_c⁺анти-D⁰ однопионный обмен невозможен и для описания нужно привлекать более тяжелые частицы – ρ, ω, σ, что приводит к энергиям связи порядка 50 МэВ и характерным размерам P_c(4312)⁺ порядка 1 Фм, что уже не похоже на слабосвязанное молекулярное состояние.

Альтернативная модель адрочармония, большой вклад в развитие которой внесли физики ОТФ, может объяснить эти моменты. В этой модели P_c(4440)⁺ и P_c(4457)⁺ рассматриваются как проявление связанного состояния ψ(2S)-резонанса и нуклона, для которого легко объяснить расщепление на две частицы. Состояние P_c(4312)⁺ получается из другого чармониевого состояния (χ_c0) и нуклона. Более того, такая модель может объяснять и широкий резонанс P_c(4380)⁺ как перекрывающиеся состояния, составленные из других возбужденных чармониевых состояний и нуклонов. Однако, кластерная модель также встречается с некоторыми трудностями. Так, очень сложно объяснить различные ширины распадов P_c(4312)⁺, P_c(4440)⁺ и P_c(4457)⁺. Вывод, который сделал Виктор Петров, звучит так: «Оба сценария объясняют новые данные LHCb с трудом, но молекулярный хуже». Для определения, какая модель истинная, необходимо исследовать квантовые числа пентакварков. Так, например, в модели адрочармония четность P_c(4312)⁺, должна быть положительной, а в молекулярной модели отрицательной. Исследование квантовых чисел сейчас ведется физиками LHCb.

Также, в ходе семинара ученые обсудили новые результаты американского эксперимента GlueX по фоторождению J/ψ на протонах вблизи порога. Сотрудники Лаборатории им. Джефферсона измерили вероятность этого процесса для области, где возможно проявление пентакварков (см. рисунок 3). Пока накопленная статистика мала, но такой метод поиска является очень перспективным, а главное дополняющим результаты LHCb.