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.

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.