Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Две модели универсального пентакварка
«Мезон-барионная молекула»
Д указывает кварк и д антикваркового . Глюоны (волнистые линии) обеспечивают сильное взаимодействие между кварками. Должны присутствовать заряды красного, зеленого и синего цветов , в то время как оставшиеся кварк и антикварк должны иметь общий цвет и его антицвет, в этом примере синий и антисиний (показаны желтым).

Пентакварк является элементарной частицей , состоящей из четырех кварков и одного антикварка связан друг с другом .

Поскольку кварки имеют барионное число +1/3, и антикварки -1/3, пентакварк имел бы полное барионное число, равное 1, и, следовательно, был бы барионом . Кроме того, поскольку он имеет пять кварков вместо обычных трех, обнаруженных в обычных барионах (также известных как «трикварки»), он классифицируется как экзотический барион . Название пентакварк было придумано Клодом Жинью и др. [1] и Гарри Дж. Липкин в 1987 году; [2] однако возможность пятикварковых частиц была идентифицирована еще в 1964 году, когда Мюррей Гелл-Манн впервые постулировал существование кварков . [3]Пентакварки предсказывали на протяжении десятилетий, но оказалось, что обнаружить их оказалось на удивление трудно, и некоторые физики начали подозревать, что неизвестный закон природы предотвратил их образование. [4]

Первое заявление об открытии пентакварка было зарегистрировано на LEPS в Японии в 2003 году, а в нескольких экспериментах в середине 2000-х годов также сообщалось об открытиях других состояний пентакварка. [5] Другие не смогли воспроизвести результаты LEPS, а другие открытия пентакварков не были приняты из-за плохих данных и статистического анализа. [6] 13 июля 2015 года коллаборация LHCb в ЦЕРН сообщила о результатах, согласующихся с состояниями пентакварков в распаде нижних лямбда-барионов ( Λ0
б). [7] 26 марта 2019 года коллаборация LHCb объявила об открытии нового пентакварка, который ранее не наблюдался. [8] Наблюдения проходят порог в 5 сигм, необходимый для открытия новых частиц.

За пределами лабораторий физики элементарных частиц пентакварки также могут образовываться естественным путем с помощью сверхновых как часть процесса формирования нейтронной звезды . [9] Научное изучение пентакварков может дать представление о том, как формируются эти звезды, а также позволит более тщательно изучить взаимодействия частиц и сильное взаимодействие .

Фон [ править ]

Основная статья: Кварк

Кварк представляет собой тип элементарной частицы , который имеет массу , электрический заряд , и цветовой заряд , а также дополнительное свойство называют аромат , который описывает , какой тип кварка он (вверх, вниз, странно, обаяние, сверху или снизу) . Из-за эффекта, известного как ограничение цвета , кварки никогда не наблюдаются сами по себе. Вместо этого они образуют составные частицы, известные как адроны, так что их цветовые заряды нейтрализуются. Адроны, состоящие из одного кварка и одного антикварка , известны как мезоны , а адроны , состоящие из трех кварков, известны как барионы.. Эти «регулярные» адроны хорошо задокументированы и охарактеризованы; однако в теории нет ничего, что могло бы помешать кваркам образовывать «экзотические» адроны, такие как тетракварки с двумя кварками и двумя антикварками или пентакварки с четырьмя кварками и одним антикварком. [4]

Структура [ править ]

Схема P+
c Тип пентакварк, возможно, обнаруженный в июле 2015 года, демонстрирующий аромат каждого кварка и одну возможную цветовую конфигурацию.

Возможны самые разные пентакварки, при этом разные комбинации кварков дают разные частицы. Чтобы определить, какие кварки составляют данный пентакварк, физики используют обозначение qqqq q , где q и q соответственно относятся к любому из шести видов кварков и антикварков. Символы и, D, S, C, B, и т стенд для вверх , вниз , странных , очарования , нижнего и верхние кварки соответственно с символами U , д , ев , с , б , тсоответствующие антикваркам. Например, пентакварк, состоящий из двух верхних кварков, одного нижнего кварка, одного очарованного кварка и одного очаровательного антикварка, будет обозначен uudc c .

Кварки связаны друг с другом сильной силой , которая действует таким образом, чтобы нейтрализовать цветные заряды внутри частицы. В мезоне это означает, что кварк находится в партнерстве с антикварком с зарядом противоположного цвета - например, синим и анти-синим - в то время как в барионе три кварка имеют между собой все три цветовых заряда - красный, синий и зеленый. [nb 1] В пентакварке цвета также должны компенсироваться, и единственная возможная комбинация состоит в том, чтобы иметь один кварк одного цвета (например, красный), один кварк второго цвета (например, зеленый), два кварка третьего цвета. цвет (например, синий) и один антикварк, чтобы нейтрализовать лишний цвет (например, антисиний). [10]

Механизм связывания пентакварков пока не ясен. Они могут состоять из пяти тесно связанных друг с другом кварков, но также возможно, что они связаны более слабо и состоят из трехкваркового бариона и двухкваркового мезона, относительно слабо взаимодействующих друг с другом посредством обмена пионами (та же сила, которая связывает атомных ядер ) в «мезон-барионную молекулу». [3] [11] [12]

История [ править ]

Середина 2000-х [ править ]

Требование включить антикварк означает, что многие классы пентакварков трудно идентифицировать экспериментально - если аромат антикварка совпадает с ароматом любого другого кварка в пятерке, он будет компенсироваться, и частица будет напоминать своего трехкваркового адронного кузена. . По этой причине ранние поиски пентакварков искали частицы, у которых антикварк не сокращался. [10] В середине 2000-х годов было проведено несколько экспериментов по обнаружению пентакварковых состояний. В частности, в резонанс с массой из1540  МэВ / c 2 (4.6  σ ) было сообщено LEPS в 2003 г.,
Θ+
. [13] Это совпало с состоянием пентакварка с массой1530 МэВ / c 2 предсказано в 1997 году. [14]

Предлагаемое состояние состояло из двух верхних кварков , двух нижних кварков и одного странного антикварка (uudd s ). После этого объявления девять других независимых экспериментов сообщили о наблюдении узких пиков отпK+ и пK0, с массами между 1522 МэВ / c 2 и1555 МэВ / c 2 , все выше 4 σ. [13] Хотя существовали опасения по поводу достоверности этих состояний, Группа данных по частицам дала
Θ+
3 звезды (из 4) в обзоре физики элементарных частиц 2004 года . [13] Сообщалось о двух других состояниях пентакварка, хотя и с низкой статистической значимостью:
Φ−−
(ddss u ), с массой1860 МэВ / c 2 и
Θ0
c(uudd c ), с массой3099 МэВ / c 2 . Позже было обнаружено, что оба эффекта являются скорее статистическими, чем истинными резонансами. [13]

Затем десять экспериментов искали
Θ+
, но вышел с пустыми руками. [13] В частности, два (один в BELLE , а другой в CLAS ) имели почти те же условия, что и другие эксперименты, которые утверждали, что обнаружили
Θ+
( ДИАНА и САФИР соответственно). [13] Обзор физики элементарных частиц за 2006 г. заключил: [13]

[T] здесь не было высокого статистического подтверждения ни одного из оригинальных экспериментов, которые утверждали, что видели
Θ+
; было два повтора с высокой статистикой из лаборатории Джефферсона , которые ясно показали, что исходные положительные утверждения в этих двух случаях ошибочны; был проведен ряд других экспериментов с высокой статистикой, ни один из которых не нашел никаких доказательств
Θ+
; и все попытки подтвердить два других заявленных состояния пентакварка привели к отрицательным результатам. Вывод о том, что пентакварки в целом и
Θ+
, в частности, не существует, кажется убедительным.

Обзор физики элементарных частиц за 2008 год пошел еще дальше: [6]

Есть два или три недавних эксперимента, которые находят слабые доказательства сигналов, близких к номинальным массам, но просто нет смысла сводить их в таблицу ввиду неопровержимых доказательств того, что заявленных пентакварков не существует ... Вся история - сами открытия Последовавшая волна работ теоретиков и феноменологов и возможное «не открытие» - любопытный эпизод в истории науки.

Несмотря на эти нулевые результаты , результаты LEPS продолжали показывать существование узкого состояния с массой1524 ± 4  МэВ / c 2 , со статистической значимостью 5,1 σ. [15]

Результаты LHCb за 2015 г. [ править ]

Диаграмма Фейнмана, представляющая распад лямбда-бариона Λ0
бв каон K-
и пентакварк P+
c.

В июле 2015 года коллаборация LHCb в ЦЕРНе идентифицировала пентакварки в Λ0
б→ J / ψK-
p- канал, который представляет собой распад нижнего лямбда-бариона (Λ0
б) в J / ψ-мезон (J / ψ) , в каон (K-
) и протон (р). Результаты показали, что иногда вместо распада через промежуточные лямбда- состояния Λ0
браспадается через промежуточные состояния пентакварка. Два состояния, названные P+
c(4380) и P+
c(4450) , имели индивидуальную статистическую значимость 9 σ и 12 σ, соответственно, и совокупную значимость 15 σ - достаточно, чтобы заявить о формальном открытии. Анализ исключил возможность того, что эффект был вызван обычными частицами. [3] Два пентакварковы состояний оба наблюдали сильно затухающие в Дж / фр , следовательно , должны иметь содержание валентных кварковые двух до кварков , в вниз кварке , в чарме кварка и анти-кварка чарма (
ты

ты

d

c

c
), превращая их в чармоний- пентакварки. [7] [9] [16]

Поиск пентакварков не был целью эксперимента LHCb (который в первую очередь предназначен для исследования асимметрии материя-антивещество ) [17], а очевидное открытие пентакварков было описано как «случайность» и «то, на что мы наткнулись». Координатор по физике эксперимента. [11]

Исследования пентакварков в других экспериментах [ править ]

Подгонка к спектру инвариантных масс J / ψp для Λ0
б→ J / ψK-
p- распад, при этом каждый подходящий компонент показан индивидуально. Вклад пентакварков показан заштрихованными гистограммами .

Рождение пентакварков из электрослабых распадов Λ0
ббарионы имеют чрезвычайно малое поперечное сечение и дают очень ограниченную информацию о внутренней структуре пентакварков. По этой причине существует несколько текущих и предлагаемых инициатив по изучению производства пентакварков в других каналах.

Ожидается, что пентакварки будут изучаться в электрон-протонных столкновениях в экспериментах Hall B E2-16-007 и Hall C E12-12-001A в JLAB. Основная проблема в этих исследованиях - это большая масса пентакварка, который будет образовываться в хвосте фотон-протонного спектра в кинематике JLAB. По этой причине неизвестные в настоящее время доли ветвления пентакварка должны быть достаточно большими, чтобы можно было обнаружить пентакварк в кинематике JLAB. Предлагаемый электронно-ионный коллайдер с более высокими энергиями гораздо лучше подходит для этой задачи.

Интересный канал для изучения пентакварков в протон-ядерных столкновениях был предложен в [18]. Этот процесс имеет большое сечение из-за отсутствия электрослабых посредников и дает доступ к волновой функции пентакварка. В экспериментах с фиксированной мишенью пентакварки будут производиться с небольшой скоростью в лабораторных условиях и легко обнаруживаться. Кроме того, если существуют нейтральные пентакварки, как это предлагается в нескольких моделях, 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 за 2019 г. [ править ]

26 марта 2019 года коллаборация LHCb объявила об открытии нового пентакварка на основе наблюдений, которые преодолели порог 5 сигм, с использованием набора данных, который был во много раз больше, чем набор данных 2015 года. [8]

Обозначенный P c (4312) + (P c + обозначает чармоний-пентакварк, а число в скобках указывает массу около 4312 МэВ), пентакварк распадается на протон и J / ψ-мезон. Кроме того, анализ показал, что ранее опубликованные наблюдения пентакварка P c (4450) + на самом деле были средним значением двух различных резонансов, обозначенных P c (4440) + и P c (4457) + . Понимание этого потребует дальнейшего изучения.

Приложения [ править ]

Цветные трубки, образованные пятью статическими кварковыми и антикварковыми зарядами, вычисленные в решеточной КХД . [19] Ограничение в квантовой хромодинамике приводит к образованию магнитных трубок, соединяющих цветные заряды. Флюсовые трубки действуют как притягивающие струнные потенциалы КХД .

Открытие пентакварков позволит физикам более подробно изучить сильное взаимодействие и поможет понять квантовую хромодинамику . Кроме того, современные теории предполагают, что некоторые очень большие звезды производят пентакварки при коллапсе. Изучение пентакварков может помочь пролить свет на физику нейтронных звезд . [9]

См. Также [ править ]

  • Барион (трикварк)
  • Экзотическая материя
  • Список частиц
  • Кварковая модель
  • Тетракварк
  • Гексакварк
  • Гептакварк

Сноски [ править ]

  1. ^ Цветовые заряды не соответствуют физическим видимым цветам. Это произвольные обозначения, которые помогают ученым описывать и визуализировать заряды кварков.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Gignoux, C .; Сильвестр-Брак, В .; Ричард, JM (1987-07-16). «Возможность стабильных многокварковых барионов». Физика Письма Б . 193 (2): 323–326. Bibcode : 1987PhLB..193..323G . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (87) 91244-5 .
  2. ^ HJ Липкин (1987). «Новые возможности для экзотических адронов - странные барионы с защитой от повреждений». Физика Письма Б . 195 (3): 484–488. Bibcode : 1987PhLB..195..484L . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (87) 90055-4 .
  3. ^ a b c «Наблюдение за частицами, состоящими из пяти кварков, состояний пентакварк-чармоний, наблюдаемых в Λ0 б→ Дж / ψpK - распадах» . ЦЕРН / LHCb . 14 июля 2015 . Проверено 2015-07-14 .
  4. ^ а б Х. Мьюир (2 июля 2003 г.). «Открытие пентакварка приводит скептиков в замешательство» . Новый ученый . Проверено 8 января 2010 .
  5. ↑ К. Хикс (23 июля 2003 г.). «Физики находят доказательства существования экзотического бариона» . Университет Огайо . Архивировано из оригинала на 8 сентября 2016 года . Проверено 8 января 2010 .
  6. ^ a b См. стр. 1124 в C. Amsler et al. ( Группа данных по частицам ) (2008). «Обзор физики элементарных частиц» (PDF) . Физика Письма Б . 667 (1–5): 1–6. Bibcode : 2008PhLB..667 .... 1A . DOI : 10.1016 / j.physletb.2008.07.018 .
  7. ^ a b R. Aaij et al. ( Коллаборация LHCb ) (2015). "Наблюдение резонансов J / ψp, согласующихся с состояниями пентакварка в Λ0
    б    → Дж / фк - стр . Распадах» Physical Review Letters . 115 (7): 072001. Arxiv : +1507,03414 . Bibcode : 2015PhRvL.115g2001A . DOI : 10,1103 / PhysRevLett.115.072001 . PMID  26317714 . S2CID  119204136 .
  8. ^ a b «Эксперимент LHCb обнаруживает новый пентакварк» . ЦЕРН . 26 марта 2019 . Проверено 26 апреля 2019 .
  9. ^ a b c I. Образец (14 июля 2015 г.). «Ученые на Большом адронном коллайдере открывают новые частицы: пентакварки» . Хранитель . Проверено 14 июля 2015 .
  10. ^ а б Я. Походзалла (2005). «Дуэты странных кварков». Адронная физика . п. 268. ISBN 978-1614990147.
  11. ^ a b Г. Амит (14 июля 2015 г.). «Открытие пентакварка на LHC показывает долгожданную новую форму материи» . Новый ученый . Проверено 14 июля 2015 .
  12. ^ Т. Д. Коэн; PM Hohler; РФ Лебедь (2005). «О существовании тяжелых пентакварков: большие пределы N c и тяжелых кварков и за их пределами». Physical Review D . 72 (7): 074010. arXiv : hep-ph / 0508199 . Bibcode : 2005PhRvD..72g4010C . DOI : 10.1103 / PhysRevD.72.074010 . S2CID 20988932 . 
  13. ^ a b c d e f g W.-M. Yao et al. ( Группа данных по частицам ) (2006). «Обзор физики элементарных частиц:Θ+" (PDF) . Журнал Physics G . 33 (1):. 1-1232 Arxiv : астро-фот / 0601168 . Bibcode : 2006JPhG ... 33 .... 1Y . Дои : 10,1088 / 0954-3899 / 33 / 1/001 .
  14. ↑ Д. Дьяконов; В. Петров, М. Поляков (1997). «Экзотический антидекуплет барионов: предсказание по киральным солитонам». Zeitschrift für Physik . 359 (3): 305. arXiv : hep-ph / 9703373 . Bibcode : 1997ZPhyA.359..305D . CiteSeerX 10.1.1.44.7282 . DOI : 10.1007 / s002180050406 . S2CID 2322877 .  
  15. ^ Т. Накано и др. ( Сотрудничество LEPS ) (2009). «Свидетельства Θ + в реакции γd → K + K - pn». Physical Review C . 79 (2): 025210. arXiv : 0812.1035 . Bibcode : 2009PhRvC..79b5210N . DOI : 10.1103 / PhysRevC.79.025210 .
  16. ↑ П. Ринкон (14 июля 2015 г.). «Большой адронный коллайдер обнаружил новую частицу пентакварка» . BBC News . Проверено 14 июля 2015 .
  17. ^ "Куда пропало все антивещество?" . ЦЕРН / LHCb . 2008 . Проверено 15 июля 2015 .
  18. ^ Шмидт, Иван; Сиддиков, Марат (3 мая 2016 г.). «Производство пентакварков в pA-столкновениях». Physical Review D . 93 (9): 094005. arXiv : 1601.05621 . Bibcode : 2016PhRvD..93i4005S . DOI : 10.1103 / PhysRevD.93.094005 . S2CID 119296044 . 
  19. ^ Н. Кардосо; М. Кардосо и П. Бикудо (2013). «Цветовые поля статической системы пентакварков, вычисленные в КХД на решетке SU (3)». Physical Review D . 87 (3): 034504. arXiv : 1209.1532 . Bibcode : 2013PhRvD..87c4504C . DOI : 10.1103 / PhysRevD.87.034504 . S2CID 119268740 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Дэвид Уайтхаус (1 июля 2003 г.). «Узрите Пентакварк (BBC News)» . BBC News . Проверено 8 января 2010 .
  • Томас Э. Браудер; Игорь Р. Клебанов; Дэниел Р. Марлоу (2004). «Перспективы производства пентакварков на мезонных фабриках». Физика Письма Б . 587 (1-2): 62. arXiv : hep-ph / 0401115 . Полномочный код : 2004PhLB..587 ... 62B . DOI : 10.1016 / j.physletb.2004.03.003 . S2CID  15859315 .
  • Акио Сугамото (2004). «Попытка изучения пентакварковых барионов в теории струн». arXiv : hep-ph / 0404019 .
  • Кеннет Хикс (2005). "Экспериментальный обзор
    Θ+
    . Пентакварковы» Журнал физики: серии конференций . 9 (1): 183-191. Arxiv : геп-ех / 0412048 . Bibcode : 2005JPhCS ... 9..183H . Дои : 10,1088 / 1742-6596 / 9/1 / 035 . S2CID  117703727 .
  • Марк Пеплоу (18 апреля 2005 г.). «Сомнение брошено на пентакварки». Природа . DOI : 10.1038 / news050418-1 .
  • Мэгги Маккай (20 апреля 2005 г.). «Охота на пентакварк тянет пробелы» . Новый ученый . Проверено 8 января 2010 .
  • Национальный ускорительный комплекс Томаса Джефферсона (21 апреля 2005 г.). «Разве это не так? Дебаты по пентакварку накаляются» . SpaceDaily.Com . Проверено 8 января 2010 .
  • Дмитрий Дьяконов (2005). «Релятивистское приближение среднего поля к барионам». Европейский физический журнал . 24 (1): 3–8. Bibcode : 2005EPJAS..24a ... 3D . DOI : 10.1140 / epjad / s2005-05-001-3 . S2CID  120054432 .
  • Шумахер, РА (2006). «Взлет и падение пентакварков в экспериментах». Материалы конференции AIP . 842 : 409. arXiv : nucl-ex / 0512042 . Bibcode : 2006AIPC..842..409S . CiteSeerX  10.1.1.285.7719 . DOI : 10.1063 / 1.2220285 . S2CID  16956276 .
  • Кэндис Картер (2006). «Взлет и падение пентакварка» . Журнал Симметрия . 3 (7): 16.

Внешние ссылки [ править ]

  • «Пентакварк на arxiv.org» .