Физики подтвердили существование первого глюбола: как закон квантового запрета раскрыл природу частицы X(2370)

В физике элементарных частиц все объекты окружающего мира принято разделять на две фундаментальные группы. С одной стороны находятся частицы вещества — фермионы, к которым относятся электроны и кварки. С другой стороны — бозоны, служащие переносчиками фундаментальных взаимодействий. Из кварков построены протоны и нейтроны, образующие атомные ядра, а удерживает их вместе сильное взаимодействие, за передачу которого отвечают глюоны.

В теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамике — заложено свойство, не имеющее аналогов в других силах природы: глюоны способны притягиваться не только к кваркам, но и непосредственно друг к другу. Из этого следует принципиальная возможность существования частиц принципиально нового типа — глюболов. Это массивные объекты, полностью лишенные кварков и сформированные исключительно из квантов самого силового поля.

Поиски таких состояний продолжались полвека. Экспериментаторам мешало квантовое смешивание: в микромире частицы с одинаковыми свойствами непрерывно переходят друг в друга, из-за чего глюонные сгустки мгновенно маскируются под обычные кварковые мезоны.

Международная научная группа эксперимента BESIII, работающая на электрон-позитронном коллайдере в Пекине, завершила многолетний анализ данных. Физики доказали, что открытая ими частица X(2370) в своей основе представляет собой легчайший псевдоскалярный глюбол, существование которого долгое время оставалось лишь теоретической гипотезой.

Почему кванты поля могут связываться сами с собой

Для понимания устройства глюбола, сопоставим сильное взаимодействие с привычным электромагнетизмом.

Переносчиком электромагнитных сил выступает фотон. Фотоны электрически нейтральны: у них нет электрического заряда. По этой причине два пересекающихся световых луча в вакууме проходят сквозь друг друга, не рассеиваясь и не вступая в контакт. Фотон реагирует исключительно на заряженные частицы — например, электроны или протоны. Построить стабильное составное тело только из фотонов невозможно.

Сильное взаимодействие функционирует иначе. Его аналогом электрического заряда выступает квантовое свойство, называемое цветом (квантовая хромодинамика оперирует тремя условными цветами: красным, зеленым и синим). Кварки несут цветовой заряд и потому объединяются в бесцветные группы — протоны, нейтроны и различные типы мезонов.

Однако в квантовой хромодинамике сами переносчики взаимодействия — глюоны — также обладают цветовым зарядом. В природе существует восемь разновидностей глюонов, и каждый из них одновременно передает силу и сам подвергается ее воздействию.

Когда два или три глюона оказываются на предельно близком расстоянии, они начинают интенсивно притягивать друг друга. При попытке их разделить энергия сильного поля между ними возрастает прямо пропорционально дистанции. Это свойство, называемое удержанием цвета, не позволяет глюонам существовать в свободном виде.

Если в ограниченной области пространства создается высокая концентрация глюонного поля без примеси кварков, само притяжение заставляет это поле локализоваться в компактный, электрически и цветово нейтральный сгусток. В результате рождается полноценная составная частица — глюбол.

Что предсказывали суперкомпьютеры

Рассчитать точные параметры глюболов методами классической математической физики невозможно: уравнения сильного взаимодействия при низких энергиях становятся нелинейными и не поддаются прямому аналитическому решению.

Для этих расчетов физики применяют метод решеточной квантовой хромодинамики. Пространство и время в компьютерных моделях разбивают на дискретную четырехмерную сетку (решетку). Затем мощные суперкомпьютеры численно моделируют поведение полей в узлах этой сетки с помощью методов квантовой вероятности.

Численные расчеты на решетках дали физикам конкретные параметры для поиска:

1. Легчайшее скалярное состояние: глюбол с нулевым собственным вращением (спином) и положительной пространственной четностью должен обладать массой от 1,5 до 1,7 гигаэлектронвольт (что примерно в полтора-два раза тяжелее протона).
2. Легчайшее псевдоскалярное состояние: глюбол с нулевым спином, но отрицательной пространственной четностью должен иметь массу в интервале от 2,3 до 3,0 гигаэлектронвольт (примерно в два с половиной — три раза тяжелее протона).
3. Особый механизм образования: такие частицы должны в больших количествах рождаться при распадах тяжелых составных частиц, состоящих из тяжелых очарованных кварков.

Пекинский эксперимент: десять миллиардов распадов

Для поиска столь редких объектов требовался ускоритель, работающий в строго определенном диапазоне энергий. Эксперимент был реализован на китайском электрон-позитронном коллайдере BEPCII с помощью спектрометра BESIII.

Детектор представляет собой многослойную установку весом в сотни тонн. Внутри нее слои дрейфовых камер определяют траектории заряженных частиц в сильном магнитном поле, кристаллы иодида цезия с высокой точностью измеряют энергию квантов света, а времяпролетные счетчики распознают типы образующихся осколков по темпу их движения.

Идеальным источником для рождения глюболов служат распады так называемых джей-пси мезонов. Джей-пси мезон состоит из пары: тяжелый очарованный кварк и его антикварк.

Когда встречные пучки электронов и позитронов сталкиваются на коллайдере, они создают джей-пси мезоны, которые практически мгновенно распадаются. Примерно в одном случае из ста очарованные кварк и антикварк аннигилируют, испуская один квант света (фотон) и два глюона высокой энергии.

В точке распада возникает область с высокой плотностью сильного поля, где исходно отсутствуют легкие кварки. Это чистая глюонная среда, в которой сталкивающиеся глюоны формируют новые частицы.

За годы работы детектор BESIII набрал колоссальный массив данных — более десяти миллиардов событий распада джей-пси мезонов, что позволило обнаружить процессы, происходящие с вероятностью один раз на миллионы столкновений.

Путь к открытию частицы X(2370)

Изучение этой области энергий шло постепенно:

• В 2011 году в спектре продуктов распада исследователи впервые заметили отчетливый всплеск в районе массы 2376 мегаэлектронвольт. Сигналу присвоили индекс X(2370).
• К 2020 году частицу зафиксировали в нескольких независимых каналах распада с участием пар нейтральных и заряженных каонов (тяжелых нестабильных мезонов).
• В 2024 году, проанализировав весь объем в десять миллиардов событий, физики провели полный спин-четностный анализ. Они доказали, что спин частицы строго равен нулю, а ее пространственная четность отрицательна (псевдоскалярное состояние). Статистическая достоверность этого вывода превысила девять стандартных отклонений — вероятность случайной ошибки здесь составляет менее одной миллиардной доли процента.

Масса (2376 мегаэлектронвольт) и квантовые свойства частицы X(2370) идеально совпали с предсказаниями суперкомпьютерных расчетов для легчайшего псевдоскалярного глюбола. Однако оставалось доказать, что перед учеными не обычная частица, состоящая из легких кварков.

Решающая проверка: квантовый закон запрета

Обычные мезоны всегда состоят из кварка и антикварка определенных сортов — физики называют эти сорта «ароматами» (верхний, нижний, странный). Глюоны лишены кваркового аромата, поэтому истинный глюбол обязан быть «безароматным синглетом». Это означает, что он должен распадаться на разные типы легких мезонов абсолютно симметрично, не отдавая предпочтения какому-то конкретному типу кварков.

Проверить эту симметрию прямым измерением трудно. Поэтому ученые использовали фундаментальный закон запрета, продиктованный квантовыми законами сохранения четности.

Теоретический анализ показывает: безароматная псевдоскалярная частица с нулевым спином физически не может распасться на специфическую пару мезонов — так называемый векторный каон со звездочкой и обычный нейтральный каон. Закон сохранения комбинированной квантовой четности накладывает на этот процесс абсолютное вето.

Если бы частица X(2370) была обычным возбужденным мезоном, построенным из кварков, этот запрет не действовал бы. В таком случае распад на каон со звездочкой и нейтральный каон происходил бы постоянно, а расчетный темп (парциальная ширина) этого распада составляла бы от 15 до 200 мегаэлектронвольт.

Физики BESIII провели целевой поиск этого конкретного распада среди миллиардов накопленных событий.

Результат оказался категоричным: в спектре продуктов распада следов этого процесса не обнаружилось вовсе. Вероятность распада частицы X(2370) по запрещенному каналу составила менее трех событий на миллион (менее 0,00027%), а темп распада оказался меньше двух мегаэлектронвольт.

Полное отсутствие распада в запрещенном канале послужило строгим подтверждением: частица X(2370) действительно ведет себя как безароматный синглет. Это первый в истории физики легкий безароматный адрон с массой более одного гигаэлектронвольта.

Дополнительные доказательства

Чтобы окончательно подтвердить глюонную природу частицы, исследователи проверили еще две ключевые особенности ее взаимодействия с другими полями.

1. Нейтральность по отношению к свету

Кварки несут дробный электрический заряд, поэтому обычные кварковые мезоны охотно распадаются с испусканием фотонов и легких нейтральных мезонов (таких как омега- и фи-мезоны). Глюоны электрического заряда не имеют, поэтому прямой контакт глюбола с фотонами невозможен.

Измерения на детекторе BESIII показали, что радиационные распады X(2370) с испусканием фотонов практически полностью подавлены. Вероятности этих процессов оказались в десятки и сотни раз ниже, чем у соседних по массе обычных кварковых частиц. Это доказало, что внутри X(2370) нет заметного присутствия легких кварков.

2. Малый темп распада на адроны

В квантовой хромодинамике существует правило Окубо — Цвейга — Иизуки. Согласно этому правилу, процессы, в которых исходные частицы не содержат готовых кварков и вынуждены создавать их из энергии поля с нуля, протекают со значительным трудом.

В то время как обычные кварковые мезоны распадаются бурно (с темпом около 100 мегаэлектронвольт), чистый глюбол должен распадаться медленно и равномерно по десяткам различных направлений, отдавая каждому каналу лишь от одного до пяти мегаэлектронвольт своей ширины. Именно такую картину многоканального и медленного распада физики зафиксировали для X(2370).

Квантовое смешивание: недостающая деталь мозаики

У теоретиков оставался один вопрос: если X(2370) состоит из глюонов, почему эта частица так часто образуется при распадах джей-пси мезонов? Ее экспериментальный выход оказался в несколько раз выше, чем предсказывали расчеты для полностью изолированного глюбола.

Разгадка кроется в явлении квантового смешивания. В физике микромира квантовые состояния с абсолютно одинаковыми свойствами неизбежно взаимодействуют друг с другом.

По соседству с X(2370) по шкале масс находится тяжелый псевдоскалярный мезон чармония (состояние из тяжелых очарованных кварка и антикварка). Поскольку обе частицы имеют одинаковый нулевой спин и отрицательную четность, они образуют квантовую смесь.

Расчеты показали: частице X(2370) достаточно иметь крошечную примесь очарованных кварков — на уровне долей процента (угол смешивания составляет всего от двух до пяти градусов), чтобы вероятность ее рождения возросла в десять раз.

При этом столь незначительная доля кварков никак не искажает характер ее собственного распада: частица распадается строго по законам безароматного глюонного сгустка. Это позволило сделать вывод: физическое состояние X(2370) более чем на 99% сформировано именно чистым глюболом.

Исключение альтернативных гипотез

BESIII детально сопоставила полученные данные с другими гипотезами о строении X(2370):

• Обычный возбужденный мезон из кварков: гипотеза отвергнута из-за отсутствия запрещенного распада на странные каоны и крайне низкой вероятности испускания фотонов.
• Тетракварк (состояние из четырех кварков): четырехкварковые структуры распадаются быстро и с преимущественным образованием строго определенных пар адронов, чего в эксперименте не наблюдается.
• Связанное состояние бариона и антибариона: масса X(2370) близка к суммарной массе двух тяжелых сигма-гиперонов. Однако вероятность рождения пар барионов в распадах джей-пси мезона слишком мала, чтобы обеспечить наблюдаемую интенсивность рождения X(2370). Кроме того, форма сигнала частицы не имеет никаких искажений на энергетическом пороге рождения гиперонов.

Что это открытие дает науке

Обнаружение частицы X(2370) и подтверждение ее глюбольной природы имеет принципиальное значение для фундаментальной физики.

Во-первых, эксперимент напрямую подтвердил неабелеву природу сильного взаимодействия. Доказано, что квантовые переносчики взаимодействий способны формировать стабильные изолированные структуры без участия первичных частиц материи.

Во-вторых, результаты пекинского коллайдера подтвердили точность численных методов решеточной квантовой хромодинамики. Это валидирует сложные суперкомпьютерные модели, которые физики используют для расчета свойств сверхплотной материи в недрах нейтронных звезд и процессов, происходивших в первые микросекунды после образования Вселенной.

Наконец, существование глюбола меняет понимание происхождения массы в физическом мире.

В популярной культуре массу часто связывают исключительно с бозоном Хиггса. Однако поле Хиггса наделяет массой лишь элементарные частицы — электроны и фундаментальные кварки. Это составляет не более одного-двух процентов массы видимой Вселенной. Оставшиеся 98-99% массы протонов, нейтронов, атомов и окружающих нас макроскопических тел возникают динамически — из кинетической энергии и энергии взаимодействия сильного глюонного поля.

Глюбол X(2370) представляет собой чистое проявление этого принципа. В нем нет массы покоя валентных кварков: вся его масса целиком рождена энергией локализованного сильного взаимодействия. Физика элементарных частиц получила экспериментальное доказательство того, что квантовое силовое поле способно существовать как самостоятельный материальный объект.

Источник: arXiv