Пентакварк

редактировать
Две модели типового пентакварка Пятикварковый «мешок» «мезон-барионная молекула» Q указывает на кварк, aq - на антикварк. Глюоны (волнистые линии) опосредуют сильные взаимодействия между кварками. Красный, зеленый и синий цветные заряды должны присутствовать каждый, в то время как оставшиеся кварк и антикварк должны иметь одинаковый цвет и его антицвет, в этом примере синий и антисиний (показаны желтым).

A пентакварк - это субатомная частица, состоящая из четырех кварков и одного антикварка , связанных вместе.

Поскольку кварки имеют барионное число +1/3 и антикварк -1/3, пентакварк будет иметь общее барионное число 1 и, следовательно, будет барионом. Кроме того, поскольку он имеет пять кварков вместо обычных трех, обнаруживаемых в обычных барионах (или «трикварки»), он классифицируется как экзотический барион. Название пентакварк было придумано Клодом Жинью и др. и Гарри Дж. Липкин в 1987 году; однако возможность пятикварковых частиц была идентифицирована еще в 1964 году, когда Мюррей Гелл-Манн впервые постулировал существование кварков. Пентакварки предсказывались на протяжении десятилетий, но оказалось удивительно трудно обнаружить, и некоторые физики начали подозревать, что неизвестный закон природы препятствует их образованию.

Первое заявление об открытии пентакварков было зарегистрировано на LEPS в Японии в 2003 г., а также в нескольких экспериментах в середине 2000-х годов сообщалось об открытии других состояний пентакварка. Однако другие не смогли воспроизвести результаты LEPS, а другие открытия пентакварков не были приняты из-за плохих данных и статистического анализа. 13 июля 2015 года коллаборация LHCb в ЦЕРН сообщила о результатах, согласующихся с состояниями пентакварков в распаде нижних лямбда-барионов (Λ. b). 26 марта 2019 года коллаборация LHCb объявила об открытии нового пентакварка, ранее не наблюдавшегося. Наблюдения проходят порог в 5 сигм, необходимый для открытия новых частиц.

За пределами лабораторий физики элементарных частиц, пентакварки также могут образовываться естественным путем сверхновыми как часть процесса формирования нейтронной звезды. Научное изучение пентакварков может дать представление о том, как формируются эти звезды, а также позволит более тщательно изучить взаимодействия частиц и сильное взаимодействие.

Содержание

  • 1 Предпосылки
  • 2 Структура
  • 3 История
    • 3.1 Середина 2000-х годов
    • 3.2 Результаты LHCb 2015 г.
    • 3.3 Исследования пентакварков в других экспериментах
    • 3.4 Результаты LHCb 2019 г.
  • 4 Приложения
  • 5 См. Также
  • 6 Сноски
  • 7 Ссылки
  • 8 Дополнительная литература
  • 9 Внешние ссылки

Фон

A кварк - это тип элементарной частицы, имеющей массу, электрический заряд и цветной заряд, а также дополнительное свойство, называемое аромат, которое описывает, какой это тип кварка (вверх, вниз, странный, очарование, вверх, или внизу). Из-за эффекта, известного как ограничение цвета, кварки никогда не наблюдаются сами по себе. Вместо этого они образуют составные частицы, известные как адроны, так что их цветовые заряды компенсируются. Адроны, состоящие из одного кварка и одного антикварка, известны как мезоны, а адроны, состоящие из трех кварков, известны как барионы. Эти «регулярные» адроны хорошо задокументированы и охарактеризованы; однако в теории нет ничего, что могло бы помешать кваркам образовывать «экзотические» адроны, такие как тетракварки с двумя кварками и двумя антикварками или пентакварки с четырьмя кварками и одним антикварком.

Структура

five circles arranged clockwise: blue circle marked "c", yellow (antiblue) circle marked "c" with an overscore, green circle marked "u", blue circle marked "d", and red circle marked "u". Диаграмма пентакварка типа P. c, возможно открытого в июле 2015 года, демонстрирующая аромат каждого кварка и одну возможную цветовую конфигурацию.

Возможны самые разные пентакварки с различными комбинациями кварков производя различные частицы. Чтобы определить, какие кварки составляют данный пентакварк, физики используют обозначение qqqqq, где q и q соответственно относятся к любому из шести видов кварков и антикварков. Символы u, d, s, c, b и t обозначают up, нижний, странный, талисман, нижний и top кварков, соответственно, с символами u, d, s, c, b, t, соответствующими соответствующим антикваркам. Например, пентакварк, состоящий из двух верхних кварков, одного нижнего кварка, одного очарованного кварка и одного очаровательного антикварка, будет обозначен как uudcc.

Кварки связаны вместе сильной силой, которая действует таким образом, чтобы нейтрализовать цветные заряды внутри частицы. В мезоне это означает, что кварк является партнером антикварка с зарядом противоположного цвета - например, синего и антисинего - в то время как в барионе три кварка имеют между собой все три цветовых заряда - красный, синий и зеленый. В пентакварке цвета также должны уравновешиваться, и единственная возможная комбинация - это иметь один кварк одного цвета (например, красный), один кварк второго цвета (например, зеленый), два кварка третьего цвета (например, синий).), и один антикварк для противодействия избыточному цвету (например, антисиний).

Механизм связывания пентакварков еще не ясен. Они могут состоять из пяти тесно связанных друг с другом кварков, но также возможно, что они более слабо связаны и состоят из трехкваркового бариона и двухкваркового мезона, относительно слабо взаимодействующих друг с другом посредством пионного обмена (та же сила, которая связывает атомные ядра ) в «мезон-барионной молекуле».

История

Середина 2000-х годов

Требование включения антикварк означает, что многие классы пентакварков трудно идентифицировать экспериментально - если аромат антикварка совпадает с ароматом любого другого кварка в пятерке, он компенсируется, и частица будет напоминать своего трехкваркового кузена адрона. По этой причине ранние поиски пентакварков искали частицы, у которых антикварк не сокращался. В середине 2000-х годов было проведено несколько экспериментов по обнаружению состояний пентакварка. В частности, о резонансе с массой 1540 МэВ / c (4,6 σ ) сообщил LEPS в 2003 году выпуск. Θ.. Это совпало с состоянием пентакварка с массой 1530 МэВ / c, предсказанным в 1997 году.

Предлагаемое состояние состояло из двух верхних кварков, двух нижних кварков, и один странный антикварк (uudds). После этого объявления девять других независимых экспериментов сообщили о наблюдении узких пиков от . n. . K. и . p. . K. с массами от 1522 МэВ / c до 1555 МэВ / c, все выше 4 σ. Хотя существовали опасения по поводу достоверности этих состояний, Группа данных по частицам дала. Θ. оценку 3 звезды (из 4) в Обзоре физики элементарных частиц 2004 года. Сообщалось о двух других состояниях пентакварка, хотя и с низкой статистической значимостью -. Φ. (ddssu) с массой 1860 МэВ / c и. Θ. c(uuddc) с массой 3099 МэВ / c. Позже выяснилось, что оба являются статистическими эффектами, а не истинными резонансами.

Десять экспериментов искали. Θ., но закончились с пустыми руками. В частности, два (один на BELLE, а другой на CLAS ) имели почти те же условия, что и другие эксперименты, которые утверждали, что обнаружили. Θ. (и соответственно). В «Обзоре физики элементарных частиц» за 2006 г. сделан вывод:

[T] здесь не было статистическим подтверждением какого-либо из первоначальных экспериментов, в которых утверждалось, что обнаруживается. Θ. ; было два повтора с высокой статистикой из Jefferson Lab, которые ясно показали, что исходные положительные утверждения в этих двух случаях ошибочны; был проведен ряд других экспериментов с высокой статистикой, ни один из которых не нашел никаких доказательств существования. Θ. ; и все попытки подтвердить два других заявленных состояния пентакварка привели к отрицательным результатам. Вывод о том, что пентакварков в целом и. Θ., в частности, не существует, кажется убедительным.

Обзор физики элементарных частиц за 2008 год пошел еще дальше:

Есть два или три недавних эксперимента, которые находят слабые доказательства для сигналов, близких к номинальным массам, но просто нет смысла сводить их в таблицу ввиду неопровержимых доказательств того, что заявленные пентакварки не существуют... Вся история - сами открытия, приливная волна статей теоретиков и феноменологов, которые за этим последовало "не открытие" - любопытный эпизод в истории науки.

Несмотря на эти нулевые результаты, результаты LEPS продолжали показывать существование узкого состояния с массой 1524 ± 4 МэВ / c, со статистической значимостью 5,1 σ.

2015 Результаты LHCb

Диаграмма Фейнмана, представляющая распад лямбда-бариона Λ. bна каон K. и пентакварк P. c.

В июле 2015 года сотрудничество LHCb в ЦЕРН идентифицировало Связанные пентакварки в канале Λ. b→ J / ψK. p, который представляет собой распад нижнего лямбда-бариона (Λ. b) в мезон J / ψ (J / ψ), каон (K.) и протон (p). Результаты показали, что иногда вместо распада через промежуточные состояния лямбда, Λ. bраспадается через промежуточные состояния пентакварка. Два состояния, названные P. c(4380) и P. c(4450), имели индивидуальную статистическую значимость 9 σ и 12 σ, соответственно, и совокупную значимость 15 σ - достаточно, чтобы претендовать на официальное открытие. Анализ исключил возможность того, что эффект был вызван обычными частицами. Оба состояния пентакварка оба наблюдались с сильным распадом до J / ψp, следовательно, в них должно быть содержание валентных кварков, составляющее два верхних кварка, нижний кварк, очарованный кварк и кварк-античар (. u.. u.. d.. c.. c.), что делает их чармониевыми -пентакварками.

Поиск пентакварков не был целью эксперимента LHCb (который в первую очередь предназначен для исследовать асимметрию вещества и антивещества ), а очевидное открытие пентакварков было описано как «случайность» и «то, на что мы наткнулись» Координатор по физике эксперимента.

Исследования пентакварки в других экспериментах

Подгонка к спектру инвариантных масс J / ψp для распада Λ. b→ J / ψK. p, при этом каждая подгоночная компонента показана отдельно. Вклад пентакварков показан заштрихованными гистограммами .

. Образование пентакварков в результате электрослабых распадов Λ. bбарионов имеет чрезвычайно малое поперечное сечение и дает очень ограниченную информацию о внутренней структуре пентакварков. По этой причине существует несколько текущих и предлагаемых инициатив по изучению производства пентакварков в других каналах.

Ожидается, что пентакварки будут изучены в электрон-протонных столкновениях в экспериментах в JLAB в Холле B E2-16-007 и Hall C E12-12-001A. Основная проблема в этих исследованиях - это большая масса пентакварка, который будет образовываться в хвосте фотон-протонного спектра в кинематике JLAB. По этой причине неизвестные в настоящее время доли ветвления пентакварка должны быть достаточно большими, чтобы можно было обнаружить пентакварк в кинематике JLAB. Предлагаемый электронно-ионный коллайдер, который имеет более высокие энергии, гораздо лучше подходит для этой задачи.

Интересный канал для изучения пентакварков в протон-ядерных столкновениях был предложен в. Этот процесс имеет большое поперечное сечение из-за отсутствия электрослабых посредников и дает доступ к волновой функции пентакварка. В экспериментах с фиксированной мишенью пентакварки будут образовываться с небольшой скоростью в лабораторных условиях и легко обнаруживаются. Кроме того, если существуют нейтральные пентакварки, как это предлагается в нескольких моделях, основанных на симметрии ароматов, они также могут образовываться в этом механизме. Этот процесс может быть изучен в будущих экспериментах с высокой светимостью, таких как After @ LHC и NICA.

2019 LHCb results

26 марта 2019 года коллаборация LHCb объявила об открытии новый пентакварк, основанный на наблюдениях, прошедших порог 5 сигм, с использованием набора данных, который был во много раз больше, чем набор данных 2015 года.

Обозначенный P c (4312) (P c обозначает чармоний-пентакварк, тогда как число в скобках указывает на массу около 4312 МэВ), пентакварк распадается на протон и J / ψ-мезон. Кроме того, анализ показал, что ранее опубликованные наблюдения пентакварка P c (4450) фактически были средним значением двух различных резонансов, обозначенных P c (4440) и P c. (4457). Чтобы понять это, потребуются дополнительные исследования.

Приложения

Цветные трубки, создаваемые пятью статическими кварковыми и антикварковыми зарядами, вычисленные в решеточной КХД. Ограничение в квантовой хромодинамике приводит к производству магнитных трубок, соединяющих цветные заряды. Магнитные трубки действуют как притягивающие струны КХД -подобные потенциалы.

Открытие пентакварков позволит физикам более подробно изучить сильное взаимодействие и поможет понять квантовую хромодинамика. Кроме того, современные теории предполагают, что некоторые очень большие звезды производят пентакварки при коллапсе. Изучение пентакварков может помочь пролить свет на физику нейтронных звезд.

См. Также

Сноски

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-01 08:34:05
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте