Такі різні тетракварк • Ігор Іванов • Науково-популярні завдання на "Елементи" • Фізика

Такі різні тетракварк

завдання

За останній час колаборація LHCb, що працює на Великому адронному колайдері, отримала два важливих результати з фізики многокваркових адронів. Рік тому вона остаточно довела реальність тетракварк Z (4430) з кваркової складом \ ([u \ bar % c \ bar %] \) (рис. 1, зліва), а на днях оголосила про відкриття пентакварка Pc(4450), частки зі складом \ ([uudc \ bar %] \). На фізичному жаргоні обидві ці частинки називаються адронів з прихованим зачаруванням: вони містять зачарований кварк і такий же антікварк, і від цього характерні для зачарованих кварків ефекти як би нівелюються. Однак c-кварки важкі, і це позначається на загальній масі цих адронів.

Можна уявити собі й інший варіант многокваркових станів приблизно такої ж маси. Замість пари c-анти-c в їх складу входитимуть два зачарованих кварка (або два зачарованих антікварка). Це, наприклад, двічі зачарований тетракварк виду \ ([\ bar u \ bar d c c] \) (рис. 1, справа) і пентакварк \ ([u \ bar ud cc] \). Ці частинки ще експериментально не відкриті, але ніщо не заважає їх досліджувати теоретично. Зокрема, можна задатися питанням: як будуть співвідноситися один з одним властивості многокваркових адронів приблизно однакової маси з подвійним і з прихованим зачаруванням?

Мал. 1. Два тетракварк приблизно однакової маси, що містять по два важких і два легких кварка: тетракварк з прихованим зачаруванням (зліва) І двічі зачарований тетракварк (справа)

Доведіть, Що двічі зачаровані тетракварк повинні бути більш стійкі до розпаду, ніж тетракварк з прихованим зачаруванням. З'ясуйте, Чи буде працювати той же аргумент для пентакварков.


Підказка 1

Тетракварк народжується і розпадається за рахунок сильної взаємодії. Його розпад – це просто перегрупування кварків на два мезона, які потім розлітаються геть; самі кварки свій тип при цьому не змінюють. Тому треба зрозуміти, з якої причини ця перегрупування і розліт утруднені для двічі зачарованого тетракварк в порівнянні з приховано-зачарованим побратимом. А для цього треба подумати, які сили діють між кварками, а також на що і як впливає їх велика маса.


Підказка 2

Мал. 2. Два кварка взаємодіють один з одним за рахунок обміну глюонів, за аналогією з тим, як електричні заряди взаємодіють один з одним за рахунок обміну фотонами. Малюнок зі статті Квантова хромодинамика

Хоча сили, які об'єднують кварки в адрони, влаштовані досить складно,деякі особливості взаємодії можна вгледіти за аналогією зі звичайною електродинаміки, з законами тяжіння і відштовхування зарядів. Ця аналогія, звичайно, неточна, тому в якийсь момент доведеться зупинитися, але вона допомагає схопити одну закономірність. А для того, щоб застосувати цю аналогію, корисно буде перечитати завдання Перегрупування водню і антиводню.


Рішення

Позначимо легкий кварк загальним символом \ (q \), а важкий – \ (Q \); антикварки, як зазвичай, позначаються рисками: \ (\ bar q \) і \ (\ bar Q \). Якщо у нас є кваркова комбінація "два важких і два легких", а розпад йде на пари, то два важких кварка можуть полетіти або разом, або окремо. У разі тетракварк з прихованим зачаруванням, \ ([q \ bar q Q \ bar Q] \), можливі обидва розпаду: \ ([q \ bar Q] + [Q \ bar q] \) і \ ([q \ bar q] + [Q \ bar Q] \). У разі двічі зачарованого тетракварк можливий тільки перший варіант: \ ([Q \ bar q] + [Q \ bar q] \). Другий варіант неможливий, тому що два кварка не можуть утворити мезон; він обов'язково повинен містити якийсь кварк і якийсь антікварк.

Тепер порівняємо два розпаду: \ ([q \ bar Q] + [Q \ bar q] \) і \ ([q \ bar q] + [Q \ bar Q] \). З рішення задачі про перегрупування зарядів ми вже знаємо, чим гарний другий розпад.У ньому утворюється пов'язана система з двох важких частинок, яка набагато компактніше, ніж \ ([q \ bar Q] \) або \ ([q \ bar q] \) система, і тому вона має більшу енергію зв'язку. Іншими словами, наявність \ ([Q \ bar Q] \) мезона робить розпад \ ([q \ bar q] + [Q \ bar Q] \) енергетично більш вигідним, ніж \ ([q \ bar Q] + [Q \ bar q] \).

Для двічі зачарованого тетракварк цей енергетично вигідний розпад неможливий. Тому розпадатися такий тетракварк буде в менш зручну систему, що і ускладнює його розпад. В результаті виходить, що, за інших рівних умов, двічі зачарований тетракварк буде жити довше, ніж тетракварк з прихованим зачаруванням. Звичайно, сильна взаємодія всередині адрону якось видоизменит цю картину, але, по крайней мере, описана тут загальна тенденція повинна існувати.

Щоб попередити можливе запитання, слід пояснити, що в одному місці електродинамічна аналогія дає збій. У електростатики два однакових кварка (тобто однойменні заряди) завжди відштовхуються, а кварк-антикваркових пара (тобто різнойменні заряди) – притягається. У разі сильного взаємодії закономірність більш складна: все залежить від того, яким "кольором" мають кварки.Зокрема, можна зробити так, щоб за рахунок сильної взаємодії притягувалися один до одного і два кварка, і кварк-антикваркових пара. Тому урок, винесений з електродинамічної задачі, можна використовувати для обох ситуацій.

У разі пентакварков відкривається більше можливостей, тому помічена закономірність не спрацьовує. Комбінація \ ([qqq Q \ bar Q] \) може розпастися на баріон-мезонів пару \ ([qqq] + [Q \ bar Q] \) або \ ([qqQ] + [q \ bar Q] \), причому перший розпад енергетично вигідніше через компактного важкого мезона. Але двічі зачарований пентакварк \ ([qq \ bar q QQ] \) теж не ликом шитий: у нього є розпади на \ ([qQQ] + [q \ bar q] \) і на \ ([qqQ] + [Q \ bar q] \). Тісний зв'язок двох важких кварків в цьому випадку можлива, тому що третій кварк їм допомагає об'єднатися в складі баріону (ця частка зі складом \ (dcc \) позначається \ (\ Xi_ % ^ + \); є, до речі, експериментальні натяки на її існування).


Післямова

Фізика многокваркових адронів – область, виключно важка для досліджень. Головна складність – експериментальна: треба організувати відповідні умови зіткнень, породити многокварковий Адрон, а потім пізнати його розпад. Але навіть в тих рідкісних випадках,коли наявність многокваркового складу підтверджено, дуже складно розібратися, який же структурою володіє частка – чи є вона чистим многокварковим станом в загальній "оболонці" або просто адронной молекулою, пов'язаної системою двох мезонів.

Оскільки надійних експериментальних даних і їх загальноприйнятих інтерпретацій дуже мало, майже всі твердження про них поки що роблять теоретики. Розібраний тут приклад – підвищена стійкість двічі зачарованих тетракварк – теж теоретично передбачене, але поки не перевірене на експерименті явище. Отримано воно було не тільки на рівні якісних міркувань, як в цьому завданні, але і за допомогою складного чисельного моделювання взаємодії кварків. Одна з останніх статей на цю тему – що з'явився в травні цього року препринт, в якому детально досліджено існування і стабільність таких важких тетракварк, але тільки з b-кварками замість c-кварків (рис. 3).

Мал. 3. Схематичне зображення кварковой конфігурації в тетракварк \ (qq \ bar b \ bar b \). заштрихованная область – зона розподілу і дії легких кварків, рожева область – область розподілу і дії b-кварків. червоні лінії умовно показують геометрію трубок силового поля, що діє між кварками. Числа «3», відмічені на зображенні, характеризують колірне стан кварків і їх пар. Зображення зі статті arXiv: 1505.00613


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: