Кварки: больше трех – собираться

Сделано, возможно, научное открытие года: найдена новая частица – пентакварк

На Большом адронном коллайдере сделано открытие, которое станет одним из главных, если не главным научным открытием года. Найдена новая частица – пентакварк. Пентакварк, в отличие от составляющих материю нейтронов и протонов, состоит не из трех, а из пяти кварков – самых мелких частиц вещества. Пентакварки искали 50 лет, интерес к ним то угасал, то снова разгорался. Последний раз волну активного поиска этой частицы подняла работа российских физиков Дмитрия Дьяконова (он умер в 2012 году), Виктора Петрова и Максима Полякова – они предсказали обнаружение легкого пентакварка определенного вида. В интервью Радио Свобода Максим Поляков, в настоящий момент сотрудник Рурского университета в Германии, рассказывает драматичную историю поиска пентакварков, объясняет, как найденный пентакварк соотносится с предсказанным, и сравнивает наблюдение новой частицы с обнаружением бозона Хиггса.

– Молекулы состоят из атомов, атомы – из электронов и ядер, ядра – из протонов и нейтронов, протоны и нейтроны – из кварков. А меньше кварков и электронов что-то есть?

– Пока ничего не обнаружено. Но есть теории, согласно которым кварки и электроны тоже из чего-то состоят – из так называемых преонов. Но на нашем нынешнем экспериментальном уровне эти теории невозможно проверить. Так что кварки и лептоны, к которым относятся электроны, можно условно назвать азбукой вещества.

– Протоны и нейтроны состоят из трех кварков?

– И да, и нет. Вообще там есть еще бесконечное число пар кварков и антикварков, но на базовом уровне там действительно по три кварка.

– Бывают ли частицы, состоящие из двух кварков?

– Да, точнее, из кварка и антикварка, это так называемые мезоны, которые среди прочего отвечают за то, чтобы протоны и нейтроны объединялись в ядра, другими словами, ядра существуют за счет мезонных сил. Существование мезонов предсказал японский физик Юкава, их обнаружили где-то в конце 40-х годов, их свойства хорошо изучены.

– Итак, частицы из двух и трех кварков есть. А один отдельный кварк можно выделить?

– Нет, это невозможно. Кварки всегда существуют в компаниях. А почему – это одна из великих задач физики высоких энергий, в частности, квантовой хромодинамики. То, что мы наблюдаем объекты из трех кварков, из кварка и антикварка, но кварки отдельно – нет, называется явлением конфайнмента. Дело не в том, что кварки как-то слишком сильно между собой связаны, например, в протоне, и с помощью достаточно сильной энергии можно было бы эту связь разорвать. Здесь какая-то другая, более фундаментальная причина. Кстати, объяснить конфайнмент – одна из задач тысячелетия, предложенных американским институтом Клэя, за ее решение можно получить миллион долларов.

– Одинокого кварка не бывает, пары и тройки есть, а компании из большего числа кварков могут быть?

– Кварковую модель, как и само понятие кварка, придумали в начале 60-х Гелл-Манн и Цвайг. Модели частиц из трех и двух кварков лежали на поверхности, но, конечно же, сразу предположили, что могут быть объекты и из большего числа кварков. И начиная с этого момента до примерно середины 80-х годов люди активно искали такие, как их называют, экзотические частицы. Но ничего не нашли и просто потеряли интерес. Есть такое издание, выходящее раз в два года – Particle Data Group. Это огромный талмуд, в котором перечислены все известные частицы и их свойства. Долгое время там был отдельный раздел для кандидатов в пентакварки (частицы из пяти кварков) и в тетракварки (из четырех кварков). Но в 84-м или 86-м году, в очередном выпуске альманаха, авторы написали, что поскольку ничего определенного не находится, с этого момента они закрывают этот раздел. Это при том, что параллельно находили очень много новых частиц. Когда выпуск альманаха начинался в 50-е годы, он состоял из одной страницы. Теперь это огромная книга из тысяч страниц. Новых частиц появилось очень много, но экзотические так и не были убедительно обнаружены. Появились даже предположения, что есть какой-то неизвестный нам закон природы, запрещающий их существование, но что это за закон, никто представить не мог.

– Как вы думаете, почему их так долго не могли найти?

– Чтобы обнаружить частицу на современных более-менее мощных ускорителях, надо знать, где искать. Как говорят, “искать надо под фонарем” – нужно заранее понимать, где, в каких каналах, с какой точностью. Теперь становится понятно, что искали не там.

– Работы научной группы, в которую входили Дмитрий Дьяконов, Виктор Петров и вы, в конце 90-х годов дали экспериментаторам новую мотивацию к поиску экзотических частиц, пентакварков. Как это вышло?

– Протоны, нейтроны и их возбужденные состояния называются общим термином барионы. И в 90-е годы мы работали над моделью барионов, которая представляет их как солитоны. Солитон – это нелинейная волна, такие довольно часто встречаются в обычной жизни – например, это волны цунами или нейронные импульсы в нервной системе. Мне сейчас придется немного углубиться в дебри. В теории сильных взаимодействий, которая изучает силы, связывающие вместе атомные ядра, есть такое явление – спонтанное нарушение киральной симметрии. Это явление на самом деле очень важное, именно благодаря ему у протона и нейтрона есть масса. Вот смотрите: протон состоит из трех очень легких кварков. Если вы сложите их массы, получите только около 2–3 процентов массы протона. Вот все остальное и получается из спонтанного нарушения киральной симметрии. Мы долго изучали это явление и поняли, что из-за него в вакууме квантовой хромодинамики возникают нелинейные волны – солитоны, и с их помощью можно описать протон и нейтрон. То есть протон и нейтрон – не просто три кварка вместе, а, грубо говоря, три кварка внутри нелинейной волны.

– Вы таким образом придумали новое объяснение тому, откуда у барионов берется масса?

– Да, в том числе. На самом деле, эта модель очень старая, она появилась в работах англичанина Скирма еще в конце 60-х годов. Но ее вскоре забыли и снова вспомнили только через 20 лет. А в 90-е годы мы развили эту старую модель еще дальше, описали многие свойства протонов и нейтронов. И одним из следствий наших уравнений стало то, что нелинейная волна должна связывать не только три кварка, но и пять тоже. И это давало возможность предсказать существование пентакварка с определенными свойствами. Он должен был оказаться довольно легким, легче, чем ожидали до нас, а главное – очень “узким”, то есть долго живущим. Такой пентакварк должен был бы жить гораздо дольше, чем другие возбуждения протона. В 97-м году мы собрались втроем и решили, что раз уж у нас получается такое необычное предсказание, надо выйти на публику.

– Другими словами, теоретически существование пентакварков предполагали и до вас, но вы предложили конкретный вид экзотической частицы и тем самым показали, где именно ее нужно искать?

– Да, до нас люди искали короткоживущий пентакварк в области более высоких масс. Легкий и узкий пентакварк – это было необычное предположение, после публикации на нас накинулись, всем наша теория показалась очень странной. Первое время экспериментаторы на нее не обращали внимания. Но через несколько лет, в начале 2000-х, почти случайно, после личных бесед, две научные группы занялись поиском нашего пентакварка. Одна – под руководством Анатолия Долголенко в ИТЭФе в Москве, вторая – японцы во главе с Такаши Накано. И вскоре, в начале 2003 года, обе группы объявили, что они видят наш пентакварк, именно предсказанной массы и узкий.

– То есть пентакварк был обнаружен уже тогда?

– Я и многие другие считают, что да. После объявления Долголенко и Накано всем стало интересно, все тут же бросились повторять эксперимент. Настал период эйфории. Новые группы одна за другой стали объявлять, что видят пентакварк. Но мне кажется, многие делали это безответственно. Экспериментаторы анализировали данные, но не делали достаточных проверок. Если что-то очень хочется найти, то может показаться, что оно нашлось.

– И их результаты в итоге не подтвердились?

– Стоит отличать пионеров, экспериментаторов из Москвы и Японии, которые сделали первые эксперименты, и остальных. Пионерам, кстати, пришлось особенно сложно, потому что их исследования не хотели поддерживать. Например, были проблемы у японской группы. Для того, чтобы искать пентакварк, нужно, чтобы в качестве мишени для пучка было нечто, содержащее много нейтронов, например, углерод. Такаши Накана [Накано] попросил руководство, чтобы ему поставили такую мишень вместо водородной, где одни протоны. Ему запретили – сказали, что эксперимент неинтересный. Тогда он, замечательный экспериментатор, придумал, как в качестве мишени использовать часть детектора. Другие же группы, повторяя свои эксперименты с большим количеством данных, пентакварк видеть перестали. Наступило всеобщее разочарование. К 2006 году эксперименты прекратились.

– Результаты Долголенко и Накано тоже не подтвердились?

– Нет, как раз группы Долголенко и Накано смогли успешно воспроизвести свои эксперименты. Тем не менее сейчас сложилось общее мнение, что наш пентакварк найден так и не был.

– Странно, что, при как минимум двух успешно воспроизведенных экспериментах, тема снова надолго перестала интересовать научное сообщество.

– Здесь есть два момента. Во-первых, ускорителей, удобных для поиска таких пентакварков, как предсказанный нами, в мире всего, можно сказать, два с половиной, и они заняты другими исследованиями. Во-вторых, научная работа в последнее время все больше направлена на быстрое получение результата. Приходит постдок или аспирант, его мотивация – поскорее что-нибудь опубликовать. Порода ученых, которые готовы рисковать, к сожалению, постепенно уходит в прошлое, грубо говоря, вымирает. Ведь для ученого пойти на риск может значить потратить годы жизни, огромные средства и ничего не найти. Некоторые люди думают, что для карьеры это плохо.

– А эксперименты по поиску пентакварка типа вашего не могли идти параллельно и одновременно с другими, более востребованными исследованиями, например, с поиском бозона Хиггса?

– Можно, но для точного анализа данных при поиске пентакварка нужна очень большая компьютерная обработка, она может занять год или два. Кроме того, современные ускорители, тот же самый Большой адронный коллайдер, собирают очень много данных. Сохранять, записывать их все просто нет физической возможности – никаких объемов памяти не хватит. Поэтому часть данных приходится выкидывать по умолчанию: перед экспериментом решают, какого типа данные будут записываться, а какого – нет. Можно было бы прийти и сказать: давайте записывать те данные, которые благоприятны для поиска пентакварков. Но опять-таки на этот риск никто не идет.

– Неужели никто из работавших на БАК физиков не заинтересовался?

– Дело в том, что БАК не очень хорошо подходит для поиска наших легких и узких пентакварков. Для них нужны не очень высокие энергии, но большая точность, а на Большом адронном коллайдере все наоборот. А другие, более подходящие ускорители занимались другими задачами.

– Правда ли, что в 2010 году Дмитрий Дьяконов предложил еще одну модель потенциального тяжелого пентакварка?

– Да. Смотрите, в квантовой хромодинамике есть две группы кварков – легкие и тяжелые. К легким относятся три вида кварков – так называемые “верхние”, “нижние” и “странные”. К тяжелым – “очарованные”, “прелестные” и “истинные”. Пентакварк, который мы предложили в 97-м году, был сделан из легких кварков. Почему мы тогда только легкими занимались – не могу сказать, до других дело не дошло, видимо. А в 2010 году Дмитрий Дьяконов эту модель обобщил, включив в нее один тяжелый кварк – “очарованный”. Насколько я знаю, этот пентакварк еще специально не искали.

– Теперь же обнаружен пентакварк, в котором уже не один, а два тяжелых кварка?

– Да, “очарованный” и парный к нему антикварк. Из-за сразу двух тяжелых кварков и весь пентакварк оказался намного тяжелее предсказанного когда-то нами. Но я думаю, нашу модель можно обобщить на случай двух тяжелых кварков, то есть продолжить обобщение Дьяконова еще дальше. Мы собираемся обсуждать это с Виктором Петровым. Думаю, что в устройстве вот этого новорожденного пентакварка спонтанное нарушение керальной симметрии играет большую роль.

– Пентакварк обнаружен именно в рамках эксперимента на БАКе. То есть там все же занимались поиском экзотических частиц?

– Ту частицу, которую предсказали мы, они искать в принципе не могли – детектор LHCb, обнаруживший в итоге пентакварк, удобен для исследования тяжелых кварков. Как было сделано наблюдение, я пока не знаю, но планирую связаться с экспериментаторами и расспросить, почему они исследовали именно этот канал. В любом случае, результат очень убедительный – я почитал статью. Безусловно, я теоретик, не экспериментатор, может, там много подводных камней, но пока все выглядит очень хорошо.

– Обнаружение новой частицы можно сравнить с обнаружением бозона Хиггса?

Если говорить о фундаментальных исследованиях, можно сказать, что наш КПД – 1 процент. 99 процентов результатов идет в корзину. Новое явление может дать новые источники энергии, стать ключом к пониманию устройства Вселенной. А может оказаться пшиком

– Огромная разница в том, что бозон Хигса – это из разряда запланированных открытий. А пентакварк все-таки оказался некой неожиданностью. Существовал шанс, что их вообще не окажется в природе. Ну а к чему приведет обнаружение пентакварков? Давайте спросим себя: а к чему привело обнаружение бозона Хигса? Более-менее ни к чему. Мы просто подтвердили, что Стандартная модель работает. Но никакого научного прорыва это не дало. В случае с пентакварком пока рано говорить, к чему приведет его обнаружение, ясно только, что теперь нужно будет посмотреть, как он устроен, в том числе разобраться, относится ли это к нелинейным волнам или это совершенно другой механизм. В общем, как любое неожиданное открытие, это может привести к чему угодно. Может быть, окажется, что пентакварки как-то появляются в космологии, где-то еще, но пока что это спекуляции. Понимаете, если говорить о фундаментальных исследованиях, можно сказать, что наш КПД – 1 процент. 99 процентов результатов идет в корзину. Новое явление может дать новые источники энергии, стать ключом к пониманию устройства Вселенной. А может оказаться пшиком.

– Но уж раз есть пентакварки, то можно, наверное, и какие-нибудь септакварки поискать?

– Безусловно, это лежит на поверхности. Если раньше люди подозревали, что существует какой-то закон природы, который запрещает кваркам собираться больше трех, то теперь мы знаем, что такого закона нет. Кроме того, мы узнали, что есть пентакварки с тяжелыми кварками, а как обстоит дело с пятью легкими кварками – как мы предсказывали? В общем, можно сказать, что открыт ящик Пандоры.

– Среди прочего может возродиться интерес к поиску пентакварков предложенного вами вида.

– Я надеюсь на это.

– Когда происходят такие открытия, всегда начинаются спекуляции на тему Нобелевской премии. Как вы считаете, в данном случае они оправданы?

– Мне трудно судить, но я считаю, что этот результат ее достоин. Как я уже говорил, это неожиданное, незапланированное открытие. А физика элементарных частиц на долгое время замерла в фазе запланированных открытий – грубо говоря, копаем яму и докопаемся до чего-нибудь.

– Незапланированное, если не считать вашу группу, которая предсказала обнаружение пентакварков и дала толчок к их поиску в новом веке.

– Но нам же никто не верил!