История пентакварков началась еще в 1964 г вместе с введением кварков. Они упоминались уже в самых первых работах Мюррея Гелл-Манна и Джорджа Цвайга.

Гелл-Манн и Цвайг независимо друг от друга осознали, что все известные сильновзаимодействующие частицы можно построить из кварков (Цвайг называл их asses - "тузы", но это название не прижилось) - частиц с дробным электрическим и барионным зарядом. Все известные мезоны (частицы с нулевым барионным зарядом) можно было построить из кварка и антикварка, а известные барионы - из трех кварков. Такие комбинации приводили к частицам с целым барионным зарядом, которые и наблюдаются на эксперименте. Важно, что существуют кварки разных сортов (флэйворов), которые ведут себя (почти!) совершенно одинаково. В те времена было известно 3 вида кварков: u, d, s (up, down, strange), теперь их известно 6, добавились: c (charm), b (beauty), t (top), но сильные взаимодействия всех шести совершенно одинаковы.

Из этого факта можно сделать очень далеко идущие выводы. Подменяя в протоне (uud) одни кварки на другие, можно получить другие частицы - нейтрон, 3 разных Сигма-гиперона, и два разных Кси-гиперона.

Все они должны иметь очень похожие свойства. Другими словами, все сильно-взаимодействуюшие частицы можно разбить на группы (мультиплеты), и внутри мультиплета все частицы напоминают друг друга. Математика помогает понять, что эти группы могут состоять либо из восьми (октеты), либо из десяти (декуплеты) частиц. Эти предсказания Гелл-Манна и Цвайга очень хорошо подтверждаются экспериментом, они стали основой, так называемой, кварковой модели элементарных частиц.

В начале 70-х годов было осознано, что у кварков есть еще одна характеристика, которую назвали “цветом”. Каждый тип кварка может быть одного из трех цветов. Именно цветной заряд служит источником взаимодействия между кварками, переносят это взаимодействие глюоны - безмассовые частицы (аналогично тому, как электромагнитное взаимодействие переносится фотоном). Глюонов восемь штук разных цветов.

Довольно быстро в сознании физиков мир десятков и сотен различных сильно-взаимодействующих частиц (адронов) был подменен на гораздо более простой и логичный мир кварков 3-х цветов и 6 типов (флэйворов) и 8 глюонов. Экспериментальные данные неизменно подтверждают выводы, которые делались на основе кварк-глюонной картины сильных взаимодействий, поэтому сейчас мы уже не сомневаемся в том, что она правильная. Теория взаимодействия кварков и глюонов (квантовая хромодинамика) стала составной частью Стандартной модели, последнее подтверждение которой (бозон Хиггса) было найдено не так давно на Большм Адронном Коллайдере (БАК) в ЦЕРН (Женева).

Однако кварков в свободном состоянии найти так и не удалось. Мы видим кварки связанными в адронах, мы видим их проявления при высоких энергиях, но никому не удавалось наблюдать один изолированный кварк. Довольно быстро стало ясно, что это не случайно, и что в природе имеет место явление невылетания (конфайнмент) кварков. В противоположность всему тому, что мы видели до сих пор, взаимодействие кварков, по-видимому, не убывает, а растет с расстоянием. Грубо говоря, это приводит к тому, что один кварк нельзя оторвать от другого. В природе наблюдаются только “белые” состояния, в которых полный цветовой заряд равен нулю. В частности, все адроны являются “белыми”.

Явление конфайнмента все еще не понято, несмотря на 40-летнюю историю исследования. Да, многие черты этого явления понятны, вполне доказано, что оно есть в квантовой хромодинамике, но полная самосогласованная теория этого явления отсутствует. В современной физике есть только один пример такой загадки, так долго не поддающейся объяснению – это явление сверхпроводимости. Сверхпроводимость была открыта в 1912 г., а объяснена лишь в 1956 г. Бардиным, Купером и Шриффером. Боюсь, что конфайнмент имеет все шансы перекрыть этот рекорд…

Кварковая модель Гелл-Манна-Цвайга без проблем вписалась в квантовую хромодинамику. Состояния из кварка и антикварка (мезоны) и трех кварков (или трех антикварков) как раз “белые”, именно они и должны были наблюдаться. Это же и говорит кварковая модель. Однако не только они. Еще в первых работах по кварковой модели был задан вопрос, а почему бы не существовать состояниям, в которых к обычному адрону добавлена кварк-антикварковая пара. При этом возникли бы адроны, сделанные из двух кварков и двух антикварков или даже из 4х кварков и одного антикварка. Последние частицы имели бы, как и протон, барионный заряд единица. С 1987 года по предложению Г.Липкина, их стали называть пентакварками. Очевидно, что из четырех кварков и одного антикварка легко сделать “белое состояние”, так что существование пентакварков конфайнменту не противоречит. Пентакварки --- представители так называемых экзотических частиц, т.е. тех, которые не относятся ни к обычным мезонам (кварк-антикварк), ни к барионам (3 кварка). В рамках квантовой хромодинамики можно представить много таких частиц --- пентакварки, тетракварки, глюболлы (частицы, состоящие только из глюонов) и т.д. и т.п.

Пентакварки стали искать сразу после публикации работ Гелл-Манна и Цвайга, в конце 60-х годов. История этих поисков --- одна из наиболее драматических страниц современной физики элементарных частиц.

Довольно быстро были найдены сигналы существования связанного состояния пяти кварков с квантовыми числами, которые нельзя было получить для адрона только из трех кварков.

В те времена предсказания простейшей кварковой модели выглядели очень просто - пентакварк, сделанный из легких кварков, должен иметь массу около двух масс протона или больше и быть слабосвязанным, короткоживущим состоянием. Соответственно, ожидалось, что пентакварк должен проявиться как широкий пик в реакциях рассеяния мезонов на барионах.

Такие пики видели не один раз, их авторы объявляли об открытии пентакварка (их тогда называли Z-барионами). Однако достоверность экспериментов была низкой, и со временем эти пики рассасывались или (если квантовые числа не были экзотическими) находили интерпретацию как обычные трех-кварковые барионы. В итоге была исследована вся область, где ожидались пентакварки, и было признано, что по какой-то непонятной причине пентакварки не существуют. Это мнение в конце 70х годов стало общепризнанным, и было отнесено к разряду непонятых загадок. Более того, почему-то не желали открываться и экзотические состояния другого вида, вроде бы не противоречащие квантовой хромодинамике, так что стали даже раздаваться голоса, что, быть может, таково уж свойство конфайнмента, что экзотические состояния в природе невозможны, и дело ограничивается только обычными адронами.

Новое развитие история пентакварков получила после вышедшей в 1997 году работы сотрудников Теоротдела ПИЯФ Д.И. Дьяконова, М.В. Полякова и автора настоящей заметки. В этой работе предсказывались пентакварки, хоть и сделанные из легких кварков, но с совершенно другими свойствами. Они должны были быть гораздо легче тех, которые искались до сих пор, а главное, жить гораздо дольше (конечно, только по ядерным масштабам). Предсказания были сделаны со всей определенностью, предсказывалась масса и ширина частиц, все моды их распада. Кроме того, предсказывался не один барион, а сразу десять (экзотический антидекуплет). Предсказания были сделаны на основе новой теории, которая учитывала опыт КХД и должна была, по мнению авторов, подменить наивную кварковую модель. Предсказания этой теории были прежде проверены на обычных барионах и доказали свою жизнеспособность.

Тем не менее, неверие в пентакварки было настолько велико, что прошло около 5 лет прежде, чем удалось уговорить экспериментаторов проверить предсказание. И вот, в 2003 году группа японских экспериментаторов во главе с профессором Накано объявила об открытии пентакварка (по предложению Д.Дьяконова его назвали Theta-барион) точно в предсказанном месте. Время жизни группе определить не удалось, но было ясно, что оно необычно велико. Практически одновременно с ними барион с теми же свойствами и в том же месте наблюдали в Москве, в ИТЭФ. И пошло… В течение следующего года Theta наблюдался, по крайней мере, в полутора десятках экспериментов, в разных странах мира. Почти сразу было ясно, что не все эти эксперименты хороши, некоторые имели недостаточную точность или набор данных. Тем не менее, большое количество положительных экспериментальных данных в совокупности давали уверенность, что пентакварк действительно существует, и Theta включили в официальный список открытых частиц, издаваемый Particle Data Group.

Однако со временем стали появляться и отрицательные результаты: эксперименты, в которых пентакварки в предсказанных местах не наблюдались. Эти эксперименты зачастую имели большую статистику и точность. Наконец, в 2007 г. после очень точного эксперимента группы из Джефферсон Лаб (США) (которые перед тем в 2004 подтверждали наличие пентакварка), не обнаружившего Theta, мировое общественное мнение опять склонилось к тому, что пентакварков не существует в природе, и Theta выкинули из таблиц элементарных частиц. Впрочем, следует упомянуть, что результаты ряда групп не опровергнуты и эксперименты с наблюдением пентакварков продолжают публиковаться.

Но история пентакварков на этом отнюдь не закончилась. 13 июля 2015 года одна из четырех больших коллабораций, работающих на БАК - коллаборация LHCb, сообщила об открытии двух новых адронов, которые предположительно являются пентакварками. Резонансы наблюдались в канале J/psi + протон - один довольно широкий (т.е. эта частица - короткоживущая) с массой 4380 Мэв (т.е. примерно 4.65 массы протона), а вторая с массой 4450 Мэв значительно уже. Если в существовании первой частицы еще можно сомневаться, то открытие второго пентакварка выглядит чрезвычайно убедительным.

Пик возвышается над фоном, по крайней мере, на 12 стандартных отклонений!

J/psi мезон, открытый лет 40 назад, состоит из двух тяжелых кварков c и анти-с (масса одного с-кварка более полутора масс протона), протон из трех легких кварков - uud. Резонанс в системе J/psi + протон обязательно означает пентакварк, если только с и анти-с не аннигилировали. Вероятность этого, однако, очень мала, а соответствующие резонансы должны быть намного легче. Поэтому остается предположить, что новый открытый адрон действительно состоит из 5 кварков

(см. рисунок). Он уже получил название Pc

Пентакварки такого типа до сих пор никто не рассматривал и в указанном месте не предсказывал. Пока неясно, как он устроен и является ли истинным пентакварком. Если для пентакварка, сделанного только из легких кварков, ясно, что все они равноправны, а потому, грубо говоря, размазаны по всему объему пентакварка, то здесь мы имеем дело с совершенно другой ситуацией. Несмотря на то, что внутреннее устройство вновь открытого пентакварка неизвестно, мыслимы, по крайней мере, две ситуации, отличающихся друг от друга тем, на каких расстояниях находятся тяжелые с-кварк и с-антикварк.

молекула

Первая из них отвечает тому, что 3 кварка и кварк-антикварк группируются в два адрона, расположенных сравнительно далеко друг от друга. Мезон, состоящий из u анти-с кварка известен – это D-мезон, барион, состоящий из 3х кварков cdu, известен тоже и носит имя Sigma-бариона. Можно сказать, что в этом случае пентакварк представляет из себя адронную молекулу, сделанную из этого мезона и бариона. Это похоже на то, как два атома водорода объединяются в слабо связанную молекулу H2. Однако в данном случае связь осуществляется не за счет электромагнитного взаимодействия, а за счет сильного, того же самого, которое связывает протоны и нейтроны в ядра. Беда, однако, в том, что нам почти ничего не известно о таком взаимодействии между D-мезоном и Sigma_c-барионом.

Адро-чармониум

Второй вариант расположения тяжелых кварков изображен на другом рисунке. С-кварк и антикварк находятся в центре пентакварка на малых расстояниях друг от друга, образуя компактное связанное состояние – чармониум. На больших расстояниях от них вращаются легкие кварки. Аналогией является атом, причем чармониум играет роль тяжелого ядра, а легкие кварки - электронов. Заметим, что 3 оставшихся легких кварка как раз те, которые составляют протон. Поэтому этот вариант (а его называют адро-чармониум) можно описать как J/psi мезон, забравшийся в центр протона и образующий с ним связанное состояние за счет взаимодействия с материей протона. Ясно, что этот вариант гораздо больше отвечает тому, что мы называем пентакварк.

Существуют и другие гипотезы по поводу внутреннего устройства вновь открытого пентакварка. Какая из них окажется правильной, покажут дальнейшие исследования. Важно другое – мы теперь знаем, что пентакварки почти наверняка существуют. Я надеюсь, что психологический барьер сломан, и вскоре будут открыты еще и другие пентакварки, в том числе, возможно, состоящие только из легких кварков. Мы вступаем в новую эру адронной спектроскопии, в которой экзотические частицы должны занять важное место, которое давно их ожидает.

Д-р физ.-мат. н. В.Ю. Петров