Введение
Пентакварк — это созданная человеком субатомная частица, состоящая из четырёх кварков и одного антикварка, связанных между собой; они не встречаются в природе и не существуют вне экспериментов, специально разработанных для их создания. Поскольку кварки имеют барионное число 1, а антикварки — -1, пентакварк будет иметь общее барионное число 1 и, следовательно, является барионом. Более того, поскольку он состоит из пяти кварков вместо обычных трёх, содержащихся в обычных барионах («трикварках»), он классифицируется как экзотический барион. Название «пентакварк» было предложено Клодом Гинну и др. (1987) и Гарри Дж. Липкин в 1987 году; однако возможность существования частиц из пяти кварков была выявлена ещё в 1964 году, когда Мюррей Гелл-Манн впервые постулировал существование кварков. Несмотря на десятилетия предсказаний, пентакварки оказались на удивление сложными в обнаружении, и некоторые физики начали подозревать, что неизвестный закон природы препятствует их образованию. Первое сообщение об обнаружении пентакварка было зарегистрировано в LEPS (Япония) в 2003 году, и несколько экспериментов в середине 2000-х годов также сообщили об обнаружении других состояний пентакварков. Однако другие исследователи не смогли воспроизвести результаты LEPS, а другие открытия пентакварков не были приняты из-за недостаточной достоверности данных и статистического анализа. 13 июля 2015 года коллаборация LHCb в CERN представила результаты, согласующиеся с существованием состояний пентакварков в распадах нижних Λ-барионов. 26 марта 2019 года коллаборация LHCb объявила об открытии нового пентакварка, который ранее не наблюдался. 5 июля 2022 года коллаборация LHCb объявила об открытии пентакварка. За пределами лабораторий, занимающихся исследованиями частиц, пентакварки могут образовываться естественным образом в процессах, приводящих к формированию нейтронных звёзд.
A pentaquark is a human made subatomic particle, consisting of four quarks and one antiquark bound together; they are not known to occur naturally, or exist outside of experiments specifically carried out to create them. As quarks have a baryon number of , and antiquarks of , the pentaquark would have a total baryon number of 1, and thus would be a baryon. Further, because it has five quarks instead of the usual three found in regular baryons ( "triquarks"), it is classified as an exotic baryon. The name pentaquark was coined by Claude Gignoux et al. (1987) and Harry J. Lipkin in 1987; however, the possibility of five quark particles was identified as early as 1964 when Murray Gell Mann first postulated the existence of quarks. Although predicted for decades, pentaquarks proved surprisingly difficult to discover and some physicists were beginning to suspect that an unknown law of nature prevented their production. The first claim of pentaquark discovery was recorded at LEPS in Japan in 2003, and several experiments in the mid 2000s also reported discoveries of other pentaquark states. However, other researchers were not able to replicate the LEPS results, and the other pentaquark discoveries were not accepted because of poor data and statistical analysis. On 13 July 2015, the LHCb collaboration at CERN reported results consistent with pentaquark states in the decay of bottom Lambda baryons On 26 March 2019, the LHCb collaboration announced the discovery of a new pentaquark that had not been previously observed. On 5 July 2022, the LHCb collaboration announced the discovery of the pentaquark. Outside of particle research laboratories, pentaquarks might be produced naturally in the processes that result in the formation of neutron stars.
Предыстория
Кварк — это тип элементарной частицы, обладающей массой, электрическим зарядом и цветовым зарядом, а также дополнительным свойством, называемым вкусом, которое определяет, к какому типу относится кварк (верхний, нижний, странный, очарованный, истинный или прелестный). Из-за эффекта, известного как цветовое удержание, кварки никогда не наблюдаются в одиночку. Вместо этого они формируют составные частицы, известные как адроны, чтобы их цветовые заряды компенсировались. Адроны, состоящие из одного кварка и одного антикварка, называются мезонами, а адроны, состоящие из трех кварков, — барионами. Эти «обычные» адроны хорошо изучены и описаны, однако в теории нет препятствий для формирования кварками «экзотических» адронов, таких как тетракварки, состоящие из двух кварков и двух антикварков, или пентакварки, состоящие из четырех кварков и одного антикварка. Механизм связывания пентакварков пока не установлен. Они могут состоять из пяти кварков, прочно связанных между собой, но также возможно, что они связаны более слабо и состоят из бариона из трех кварков и мезона из двух кварков, слабо взаимодействующих друг с другом посредством обмена пионами (той же силы, которая связывает атомные ядра) в виде "молекулы барион-мезон".
Среди 2000-х годов
Требование включения антикварка означает, что многие классы пентакварков сложно идентифицировать экспериментально – если аромат антикварка совпадает с ароматом любого другого кварка в квинтете, он будет аннигилировать, и частица будет похожа на свой трикварковый адронный аналог. По этой причине ранние поиски пентакварков были направлены на обнаружение частиц, в которых антикварк не аннигилирует. Это совпало с предсказанием существования пентакварка с массой 1530 МэВ, сделанным в 1997 году. Предполагаемое состояние состояло из двух u-кварков, двух d-кварков и одного анти-s-кварка (uudd). После этого объявления девять других независимых экспериментов сообщили об обнаружении узких резонансов и , с массами в диапазоне от 1522 до 1555 МэВ, все с уровнем значимости выше 4 σ. Однако впоследствии выяснилось, что это "открытие" было обусловлено некорректной методологией (https://www.osti.gov/biblio/21513283 критический анализ указывает на ошибочность концепции theta sup пентакварка).
Результаты LHCb за 2015 год
В июле 2015 года коллаборация LHCb в CERN идентифицировала пентакварки в канале, представляющем собой распад бариона Λb (лямбда-b) на мезон J/ψ (J/ψ), каон и протон (p). Результаты показали, что иногда вместо распада через промежуточные состояния Λ (лямбда), распад происходит через промежуточные состояния пентакварков. Два состояния, обозначенные как и , имели индивидуальную статистическую значимость 9 σ и 12 σ соответственно, а их комбинированная значимость составила 15 σ – достаточно для объявления о формальном открытии. Анализ исключил возможность того, что эффект вызван обычными частицами. Поиск пентакварков не являлся первоначальной целью эксперимента LHCb (который в основном предназначен для изучения асимметрии материи и антиматерии), и очевидное открытие пентакварков было описано координатором физики эксперимента как "случайность" и "неожиданная находка". Исследования также проводятся в экспериментах Hall C E2 16 007 на JLab. Основная сложность этих исследований заключается в большой массе пентакварков, которые будут производиться в области малых энергий фотонного протона в кинематике JLab. Поэтому, неизвестные на данный момент разветвляющие отношения пентакварков должны быть достаточно большими, чтобы обеспечить их детектирование в кинематике JLab. Предлагаемый электрон-ионный коллайдер, обладающий более высокой энергией, гораздо лучше подходит для решения этой задачи. Шмидт и Сиддиков (2016) предложили интересный канал для изучения пентакварков в протон-ядерных столкновениях. Этот процесс имеет большое сечение благодаря отсутствию электрослабых посредников и позволяет получить доступ к волновой функции пентакварка. В экспериментах с неподвижной мишенью пентакварки будут производиться с небольшими скоростями в лабораторной системе координат и легко детектироваться. Кроме того, если существуют нейтральные пентакварки, как предполагается в ряде моделей, основанных на симметрии ароматов, они также могут образовываться в этом механизме. Этот процесс может быть изучен в будущих экспериментах с высокой светимостью, таких как After@LHC и NICA.
Результаты LHCb 2019 года
26 марта 2019 года коллаборация LHCb объявила об открытии нового пентакварка, основанном на наблюдениях, достигших уровня значимости 5 сигма, с использованием набора данных, значительно превышающего по объему набор данных 2015 года, и имеющего значимость 15 сигма. Обозначенный как PψsΛ(4338)0, он состоит из кварков udsc и является первым подтвержденным пентакварком, содержащим странный кварк.
Приложения
Открытие пентакварков позволит физикам более детально изучить сильное взаимодействие и углубить понимание квантовой хромодинамики. Кроме того, современные теории предполагают, что некоторые очень массивные звезды образуют пентакварки в процессе коллапса. Исследование пентакварков может помочь раскрыть физику нейтронных звезд.