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 ученых 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 (тетракварки), трех кварков и одной кварк-антикварковой пары (пентакварки) или даже вовсе не содержащим кварки, а состоящим из одних глюонов (глюболы) и т.д. Никакие нам известные законы не запрещают существование таких частиц. Более 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 3-х кварков, иногда состоят из 4-х кварков и одного антикварка. Вероятность такой конфигурации для нуклона, видимо, невелика, однако, она не запрещена, и никто не сомневается, что она реализуется.

Д. Дьяконов, В. Петров, М. Поляков

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 есть то, что неизвестно, где искать. В 1997 г. в нашей работе (Д.Дьяконов, В.Петров, М.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 легчайшей и самой необычной из них был барион, состоящий из uudd bar{s} кварков. Таким образом, барионный заряд этой частицы должен быть равен единице, а странность равна S=+1. Нетрудно видеть, что такую частицу никак нельзя построить из трех кварков. Действительно, странность указывает, что в ее составе есть один странный антикварк, но полный барионный заряд (у кварков 1/3, у антикварков -1/3) указывает, что в ее составе должно быть не менее 3-х кварков. По предложению Д.Дьяконова, эту частицу стали называть Θ-барионом.

Предсказанные нами свойства пентакварков были очень необычными с точки зрения представлений, основанных на кварковой модели. Кварковая модель рассматривает адроны как более-менее слабо связанные состояния составляющих кварков, каждый из которых весит по 350 МэВ. Это примерно правильно для простейших трехкварковых состояний типа нейтрона и протона, однако для пентакварков предсказывает 1750 МэВ, да еще надо учесть, что s-кварк на 150 MэВ тяжелее, чем u и d. Недаром до нашей работы пентакварки пытались искать с массой около 2 ГэВ и с шириной в сотни МэВ. Эти поиски дали отрицательные результаты.

Кварковая модель не учитывает физики очень красивого явления, которое, как теперь достоверно известно, происходит в сильных взаимодействиях - спонтанного нарушения киральной инвариантности. Благодаря этому явлению в сильных взамодействиях возникают почти безмассовые частицы - Pi-мезоны (с массой 140 МэВ) или K-мезоны с массой около 500 МэВ. Это гораздо меньше, чем по кварковой модели, в которой масса Pi-мезона должна быть 700 МэВ, а К-мезона – в районе 900. Более того, хорошо известно, что если бы кварки не имели исходной массы (которая есть всего 4 МэВа для u-кварка и 7 для d-кварка, 150 для s), то Pi- и К-мезоны были бы вовсе безмассовыми! Это никак не укладывается в кварковую модель.

Физика спонтанного нарушения симметрии проявляется и в барионах. Именно благодаря ей пентакварки оказываются гораздо легче, потому что, если добавочную кварк-антикварковую пару взять в форме pi- или К-мезона, это будет стоить гораздо меньше энергии, чем 700-900 МэВ. Конечно, не все так просто, и нужны дополнительные расчеты, чтобы получить наше предсказание для массы, но причина состоит именно в этом.

Поскольку предсказания 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 группой СLAS из Jefferson Lab в 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, он исчез из таблиц Particle Data Group.

Однако некоторые наблюдения поколебать не удалось. 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 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 5 кварков (его масса 1685 МэВ). В этом году эту частицу внесли в официальную таблицу PDG. Однако, его пятикварковую природу еще предстоит доказать, хотя имеются косвенные свидетельства в пользу этого предположения. Для нас главное, что масса этой новой частицы находится в том самом месте, где и следовало, и ширина этого резонанса также аномально мала. Продолжаются также попытки обнаружить Θ в данных JLAB.

В общем, похоже, эта драматичная история еще не закончена.

Анти -15-плет чармованных барионов, предсказанный в 2010 году.

Тем временем, в 2010 г. Д.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 β_с -барионов, кварковый состав которых cuud bar{s} и 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 Λ_cK имеет порог 2780 МэВ). Иначе говоря, β-барионы должны распадаться только за счет слабого взаимодействия, то есть, 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 бета-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.

Должны существовать также еще более тяжелые барионы, в которых с-кварк заменяется на b-кварк. Масса легчайшего из таких барионов 5750 МэВ, а «запас» до порога распада по сильным взаимодействиям еще больше (6110 МэВ). Между тем, на БАК их должно рождаться всего лишь раз в 10 меньше (10⁵ 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 всего лишь возвращением к здравому смыслу.

Д-р физ.-мат. наук Виктор Петров