В поисках пентакварка

С уходом доброго друга нашей газеты физика Дмитрия Дьяконова не утихают споры, а был ли он прав, предсказывая существование пентакварка или нет, ищут ли ученые сейчас какой-то нью-пентакварк или нет. ТрВ-Наука обратился к другу и соавтору Дмитрия Игоревича — докт. физ.-мат. наук, зав. сектором сильных взаимодействий Теоретического отдела ПИЯФ Виктору Петрову с просьбой рассказать, какова ситуация с экзотическими частицами, предсказанными в работах Д. Дьяконова.

Все известные сильно взаимодействующие частицы (адроны) состоят либо из кварка-антикварка (мезоны), либо из трех кварков (барионы). Вопрос о том, почему не может быть адронов, устроенных иначе, волновал людей с самого появления кварковой модели, и уж тем более, когда стало ясно, что правильной теорией сильных взаимодействий является квантовая хромодинамика.

Действительно, почему бы не существовать адронам, составленным из двух кварк-антикварковых пар (тетракварков), трех кварков и одной кварк-антикварковой пары (пентакварков) или даже вовсе не содержащим кварки, а состоящим из одних глюонов (глюболов) и т.д. Никакие нам известные законы не запрещают существование таких частиц.

Хуже того, поскольку в явлениях микромира мы имеем дело с квантовой механикой во всей ее красе, мы знаем, что даже хорошо нам известные частицы (такие, как протон и нейтрон), которые состоят из трех кварков, иногда состоят из четырех кварков и одного антикварка. Вероятность такой конфигурации для нуклона, видимо, невелика, однако она не запрещена, и никто не сомневается, что она реализуется.

Частицы, которые нельзя построить из трех кварков или кварка-антикварка, называют экзотическими. Поиски экзотических частиц ведутся уже много лет, однако до сих пор нельзя сказать, что такие частицы были бы твердо обнаружены. Мы поговорим здесь об одной из таких попыток, относящейся к поиску новых барионов — пентакварков.

Основная трудность в поиске экзотики состоит в том, что неизвестно, где искать. В 1997 году в нашей работе (Дмитрий Дьяконов, Виктор Петров, Максим Поляков) мы сделали очень определенные предсказания для экзотического бариона — он должен иметь массу 1540 МэВ и быть необычно узким (т.е. жить ненормально долго). Это предсказание было сделано исходя из теории, развитой ранее. Эта теория хорошо работала для обычных барионов, таких, как протон или сигма-гиперон. В общем для тех, которые можно составить из трех кварков.

Конечно, неизвестно, можно ли применить эти представления для экзотических пентакварков, однако стоило попробовать. На самом деле была предсказана не одна, а десять новых частиц (экзотический антидекуплет), однако легчайшим и самым необычным из них был барион, состоящий из uudd bar{s} кварков. По предложению Д. Дьяконова, его стали называть Θ-барионом.

Поскольку предсказание свойств Θ были весьма однозначными, многие экспериментальные группы заинтересовались его поисками. В 2003 году он, казалось бы, был «открыт» (японской группой LEPS и почти одновременно еще несколькими группами, в том числе группой DIANA из ИТЭФ и CLAS из Jefferson Lab, США). Десятки групп по всему миру включились в его поиски, и свидетельства существования Θ были получены во многих экспериментах.

Одновременно, однако, нарастал и скептицизм по поводу данного бариона: во многих экспериментах он не наблюдался, причем эти эксперименты зачастую имели большую статистику и были более убедительными, чем те, в которых он наблюдался. Наконец, скептическая линия возобладала после эксперимента, проведенного в JLAB. В этом эксперименте были «закрыты» собственные (!) наблюдения этой группы, проведенные годом-двумя ранее. Мнение научного сообщества склонилось к тому, что Θ-барион не существует.

Однако некоторые наблюдения поколебать не удалось. Так, группа LEPS опубликовала недавно новые данные, которые опять подтверждают существование Θ. Д. Дьяконов, М. Поляков и М. Амарян предложили также новый метод наблюдения Θ бариона. Новый анализ данных JLAB (Jefferson Lab, США) c помощью этого метода показывает, что Θ можно видеть из тех самых данных, на основании которых группа JLAB заявила об окончательном «закрытии» Θ. Наконец, в последнее время появились свидетельства о существовании другой частицы из экзотического антидекуплета — нуклона из пяти кварков (его масса — 1685 МэВ). В общем, похоже, эта драматическая история еще не закончена.

Тем временем в 2010 году Дмитрием Дьяконовым было сделано новое предсказание о существовании нового класса пентакварков — барионов, содержащих тяжелые кварки (c-кварк или b-кварк). На сей раз речь идет о 15 экзотических частицах, легчайшими из которых являются дублет βс-барионов, кварковый состав которых cuud bar{s}, а также cudd bar{s}. Они должны быть очень легкими: их масса была оценена в 2420 МэВ. Заметим, что это ниже порога возможных сильных распадов этих барионов (типичный распад ΛcK имеет порог 2780 МэВ). Иначе говоря, β-барионы должны распадаться только за счет слабого взаимодействия, т.е. жить очень долго.

Это не первые пентакварки, сделанные из тяжелых кварков, которые рассматривались в мировой литературе, однако впервые речь идет о столь легких и долго живущих частицах. Удобным инструментом для поиска β-барионов может оказаться БАК. Дело не в том, что этот ускоритель имеет очень большую энергию, а в том, что его светимость очень высока. Даже самые пессимистические оценки дают порядка 106 рождающихся β-барионов в год.

Многолетние отрицательные результаты по поиску экзотических частиц привели к тому, что многие уверовали в их отсутствие и даже не задумываются над объяснением этого более чем странного факта. Открытие таких состояний (например, пентакварков) было бы возвращением к здравому смыслу.