Бозон Хиггса в 2014, пентакварк в 2015, тетракварк в 2016 – элементарные частицы стали открывать едва ли не чаще, чем станции метро. Чем объясняется такое изобилие и продолжится ли тренд на «взлом» Вселенной? «Чердак» узнал об этом у Дмитрия Денисова, руководителя эксперимента D0 коллаборации DZero на коллайдере Тэватрон, где был открыт тетракварк.
В Стандартной модели — основной теории, которая объясняет устройство Вселенной, есть три типа частиц: кварки, лептоны и калибровочные бозоны. Последние — это так называемые частицы-переносчики четырех типов фундаментальных физических взаимодействий (например, фотон отвечает за электромагнитные силы), а остальные составляют привычную, осязаемую материю. Лептоны (тип частиц, к которым относятся электроны или нейтрино) обладают сравнительно малыми массами и могут существовать в свободной форме, а кварки навсегда связаны друг с другом цепями сильного взаимодействия.
Сейчас считается, что они могут существовать только парами — тогда кварки формируют частицы, называемые мезонами, или тройками — такие частицы называются барионами (например, протон и нейтрон — это как раз адроны, каждый из них составлен из трех кварков). Но после того, как на коллайдерах были открыты частицы, составленные из четырех и пяти кварков, классические представления Стандартной модели уже кажутся неполными.
— Как и когда были открыты сами кварки?
— В середине 60-х годов прошлого века знали уже много элементарных частиц, но совершенно не понимали, как они устроены. Были протоны, были нейтроны, на ускорителях и в космических лучах нашли пи-мезоны, K-мезоны, и вот в 1964 году американский физик Мари Гелл-Ман предложил простую теорию, в которой все эти элементарные частицы можно было составить всего из трех разных кварков. Постепенно их число увеличили до шести, внутри тех же протонов, действительно, нашли «неоднородности», которые отождествили с кварками, но их самих в свободном состоянии никто до сих пор не видел. Это называется конфайнментом: выбить одиночный кварк из мезона или адрона, по современным представлениям, просто невозможно.
— Почему кварки невозможно разделить?
— Кварки сцеплены между собой сильным взаимодействием, и, когда мы пытаемся их растащить, они начинают притягиваться друг к другу все больше. Такое сложно представить, но это свойство природы. Когда мы разводим два электрических заряда, они взаимодействуют все слабее, когда ракета выходит в космос, она все меньше притягивается к Земле — это свойства гравитационного и электромагнитного взаимодействий, а вот с сильным все наоборот. Чтобы развести кварки, нам нужно вложить в систему столько энергии, что ее уже хватит на появление новых кварков, которые мгновенно опять соберутся в пары и тройки с первоначальными кварками. Поэтому в физике элементарных частиц введена особая величина, называемая цветовым зарядом. Сами кварки могут быть красными, синими, зелеными или антикрасными, антисиними и антизелеными, а в природе они могут наблюдаться только в составе бесцветных комбинаций: парами, тройками или даже четверками, как в случае нашей новой частицы. Например, протон состоит из двух верхних кварков — одного синего и одного красного – и одного нижнего кварка зеленого цвета. В результате из трех цветов получается бесцветная комбинация.
— Получается, кварки могут в буквальном смысле появляться из ниоткуда? Просто рождаться из сгустков энергии?
— Да. Каждая элементарная частица — это в некотором смысле просто масса или, что то же самое, энергия. При этом многие из них по меркам макроскопического мира живут очень мало, исчезающие доли секунды. После этого они распадаются, и из этой же самой энергии образуются другие частицы. Например, пи-мезон распадается на мюон и нейтрино, нейтрон в свободном состоянии — на протон, электрон и нейтрино, а бозон Хиггса умеет распадаться даже разными способами: он может развалиться на пару прелестных кварков, на пару фотонов, на пару Z-бозонов и т.д. Так что элементарные частицы постоянно распадаются, превращаясь в небольшое количество стабильных, долгоживущих частиц, таких как электрон, фотон, нейтрино и протон.
Ускоритель «Тэватрон», на котором была открыта новая частица. Фото: Reidar Hahn/Fermilab
— Как открыли новый тетракварк?
— Это произошло на коллайдере «Тэватрон», который расположен в США неподалеку от Чикаго. Правда, сам ускоритель закончил работу еще в 2011 году, но экспериментальные данные с него до сих пор до конца не обработаны, и именно в них увидели следы рождения тетракварка. В экспериментах на «Тэватроне» протоны и антипротоны разгоняли до колоссальных скоростей, сталкивали их и смотрели, что будет происходить. После столкновения всегда рождаются сотни частиц, которые разлетаются во все стороны и затем начинают распадаться. В результате на расположенные в разных точках ускорителя детекторы приходят потоки частиц с разными энергиями, и именно в этих данных ученые ищут историю развития событий. Например, можно накладывать различные кинетические ограничения: «отсматривать» частицы, летящие только в определенном направлении или с определенной массой. Здесь очень важно понимать, что ты ищешь, потому что просто перебрать все варианты невозможно. Поэтому мы, экспериментаторы, цепляемся за какие-то наводки теоретиков или других экспериментаторов и ищем, уже исходя из них. В случае тетракварка мы увидели в конечном спектре масс частиц характерный пик, соответствующий распаду одной изначальной частицы на пять заряженных частиц с общей энергией примерно в 5,5 ГэВ. Это и есть наш тетракварк, который в несколько этапов распадается на пять заряженных частиц: два мюона, два K-мезона и один пи-мезон.
— Насколько вы уверены, что это действительно тетракварк, а не шумы?
— Сначала мы тоже сомневались в результатах и думали, что это не сигнал, а фон, но после полугода исследований мы уверены в результате настолько, что решили его опубликовать. Например, мы знаем, что на первом этапе наша частица превратилась в пи-мезон и B-мезон. При этом распад шел так быстро, что за него может отвечать только сильное взаимодействие, а оно не меняет типы кварков. Поэтому мы уверены, что первоначальная частица состояла из точно тех же четырех кварков, что и два образовавшихся из нее мезона. Мы проанализировали около 10 миллиардов событий и нашли 130 случаев, когда образовался тетракварк. Вероятность того, что фоновые события сымитируют увиденный нами пик составляет всего один шанс из шести миллионов. Такая малая вероятность считается в научной среде достаточной, чтобы сделать «заявку» на открытие новой частицы.
— А может так оказаться, что это не тетракварк, а, например, своеобразный атом из двух близкорасположенных мезонов?
— Здесь нам немного помогают теоретики. Они могут посчитать энергию связи в таком атоме, и, оказывается, она относительно маленькая — на уровне 5—10 МэВ. То есть такой гипотетический объект легко разорвать на два мезона, а в нашем случае энергия связи составляет около 100 МэВ — это жесткий, сильно связанный объект. Таких устойчивых молекул скорее всего не бывает. Так что, скорее всего, это именно четыре кварка, плотно связанных между собой в одну частицу.
— На других ускорителях уже тоже открывали тетракварки и пентакварки. Новая частица похожа на них?
— Да, на Большом адронном коллайдере (БАК) нашли пентакварк , на ускорителе KEKB в Японии — тетракварк Z(4430), в других экспериментах тоже находили похожие частицы. Кстати, изначально мы тоже охотились за тем самым пентакварком, который нашли на БАК, но нам не хватило статистики, и мы стали искать частицы с немного другими энергиями — применили экспериментальную интуицию. Z(4430) же немного легче нашего и состоит из других кварков: очарованного кварка, очарованного антикварка, верхнего и нижнего. Это все кварки первого и второго поколения, то есть сравнительно легкие и распространенные. А в нашей частице вместо очарованных кварка и антикварка есть странный кварк из второго поколения и тяжелый прелестный кварк из третьего.
— Такой состав стал неожиданностью?
— Знаете, сейчас вообще не существует хорошей модели, которая бы объясняла, как образуются или распадаются частицы из более чем трех кварков. Поэтому каждое новое открытие становится сюрпризом и несет очень много полезной информации. Экспериментаторы ищут как можно больше новых частиц с новым строением, а теоретики думают над моделью, которая может объяснить такую многокварковую конфигурацию. Теперь мы показали, что единичную частицу могут образовывать кварки сразу трех поколений и четырех разных типов — такого раньше не было.
— Раньше думали, что возможны только двухкварковые и трехкварковые частицы. Теперь открыли тетракварки и пентакварки. Что дальше: ждать ли частиц из шести или, скажем, 10 кварков?
— Теоретически никаких запретов на частицы более чем из трех кварков нет. Но интуиция подсказывает, что если и есть частица, скажем, из шести кварков, то ее масса настолько большая, а время жизни настолько маленькое, что зарегистрировать ее практически невозможно. Это как с химическими элементами в таблице Менделеева. Можно все больше и больше набирать протонов и нейтронов, но в какой-то момент их суммарная масса станет настолько большой, что ядро станет неустойчивым. Такие элементы очень быстро распадаются. Конечно, новые ядра постоянно создают в Дубне, но это становится все сложнее. Подозреваю, что нечто подобное может произойти и с кварками, но только их критическое количество гораздо меньше. — Почему сейчас стали открывать так много новых частиц? — Сильно увеличилось количество экспериментов на ускорителях и их возможности. Поэтому за последние 10—12 лет открыли уже несколько десятков новых частиц, и я не исключаю, что дальше будет еще больше. Работает БАК, скоро переоткрывается KEKB в Японии — теперь интенсивность потоков позитронов и электронов, которые там сталкивают, станет выше в 40 раз. Кстати, в 60-е годы прошлого века, по моим оценкам, было найдено несколько десятков частиц, которые до появления кварковой модели безуспешно пытались классифицировать. Так что количественные измерения физиков-экспериментаторов в какой-то момент должны перерасти в качественное понимание, новую теорию. Когда мы только послали нашу статью в журнал и выложили ее препринт, за несколько следующих суток появилось сразу шесть теоретических работ по нашим результатам. Но когда создадут единую модель для новых многокварковых частиц, пока непонятно. Это может занять и несколько лет, и несколько десятков лет.
— Новая теория сможет вписаться в Стандартную модель?
— Скорее всего, это будет расширение Стандартной модели, какая-то новая классификация частиц в ее рамках. Все-таки мы говорим, что тетракварки и пентакварки состоят из тех же самых кварков и скрепляются тем же самым сильным взаимодействием — надо только понять, как это происходит. Правда, может быть, я несколько утрирую: мы же с вами в конечном счете тоже состоим из протонов, нейтронов и электронов, но вряд ли когда-нибудь сможем до конца понять, как из элементарных частиц складывается человек. Так и с новой классификацией: возможно, здесь нужно принципиально новое понимание сил, действующих между кварками.
— А может так оказаться, что сами кварки состоят из других, еще более мелких частиц?
— Это проверяется на каждом новом ускорителе: первым делом физики пытаются «разбить» кварк и заглянуть к нему внутрь. Но пока ничего такого не видно. Кварк остается абсолютно точечной частицей во всех экспериментах. Но лично я уверен, что наверняка есть что-то более глубокое и фундаментальное.
— Каких экспериментальных открытий в области физики элементарных частиц вы ждете больше всего?
— Мне бы очень хотелось увидеть частицу, которая отвечает за темную материю. Это очень интересная загадка, в которой соприкасается астрофизика и физика элементарных частиц. Наблюдения косвенно указывают, что мы можем найти такую частицу на ускорителях или в космических лучах. Кстати, я сейчас в CERN оцениваю проекты будущих экспериментов на БАК и вижу, что все самые современные результаты физики элементарных частиц отлично согласуются со Стандартной моделью. Так что принципиально новую физику нужно искать именно в темной материи — сложно пока представить, чтобы ее можно было описать в рамках Стандартной модели.