Пентакварк - Pentaquark

Две модели универсального пентакварка

«Мешочек» из пяти кварков

«Мезон-барионная молекула»

А q указывает на кварк и q ан антикварк. Глюоны (волнистые линии) посредничать сильные взаимодействия между кварками. Красный, зеленый и синий цветные обвинения каждый должен присутствовать, в то время как оставшийся кварк и антикварк должны иметь одинаковый цвет и его антицвет, в этом примере синий и анти-синий (показаны желтым).

А пентакварк это субатомная частица состоящий из четырех кварки и один антикварк связаны вместе.

Поскольку кварки обладают барионное число из +1/3, и антикварки -1/3, пентакварк имел бы полное барионное число 1 и, следовательно, был бы барион. Кроме того, поскольку в нем пять кварков вместо обычных трех, которые встречаются в обычных барионах (a.k.a. 'трикварки'), он классифицируется как экзотический барион. Название пентакварк было придумано Клодом Жинью и др.^[1] и Гарри Дж. Липкин в 1987 г .;^[2] однако возможность пятикварковых частиц была идентифицирована еще в 1964 году, когда Мюррей Гелл-Манн первый постулировал существование кварков.^[3] Пентакварки предсказывали на протяжении десятилетий, но оказалось, что обнаружить их оказалось на удивление сложно, и некоторые физики начали подозревать, что неизвестный закон природы препятствует их образованию.^[4]

Первое заявление об открытии пентакварка было зарегистрировано в ЛЕПС в Японии в 2003 году, а в нескольких экспериментах в середине 2000-х годов также сообщалось об открытии других состояний пентакварков.^[5] Однако другие не смогли воспроизвести результаты LEPS, а другие открытия пентакварков не были приняты из-за плохих данных и статистического анализа.^[6] 13 июля 2015 г. LHCb сотрудничество в ЦЕРН сообщил о результатах, согласующихся с состояниями пентакварка в распаде нижние лямбда-барионы (Λ⁰
_б).^[7]26 марта 2019 года коллаборация LHCb объявила об открытии нового пентакварка, ранее не наблюдавшегося.^[8] Наблюдения проходят порог в 5 сигм, необходимый для открытия новых частиц.

Внешняя частица физика лабораториях, пентакварки также могут быть получены естественным путем сверхновые как часть процесса формирования нейтронная звезда.^[9] Научное изучение пентакварков может дать представление о том, как формируются эти звезды, а также позволит более тщательно изучить взаимодействия частиц и сильная сила.

Фон

Основная статья: Кварк

А кварк это тип элементарная частица который имеет масса, электрический заряд, и цветной заряд, а также дополнительное свойство под названием вкус, который описывает, что это за кварк (верхний, нижний, странный, очаровательный, верхний или нижний). Из-за эффекта, известного как ограничение цвета, кварки никогда не встречаются сами по себе. Вместо этого они образуют композитные частицы известный как адроны так что их цветовые заряды аннулируются. Адроны из одного кварка и одного антикварк известны как мезоны, а кварки, состоящие из трех кварков, известны как барионы. Эти «регулярные» адроны хорошо задокументированы и охарактеризованы; однако в теории нет ничего, что могло бы предотвратить образование кварков. 'экзотические' адроны Такие как тетракварки с двумя кварками и двумя антикварками или пентакварками с четырьмя кварками и одним антикварком.^[4]

Структура

Схема п⁺
_c Тип пентакварк, возможно, обнаруженный в июле 2015 года, демонстрирует аромат каждого кварка и одну возможную цветовую конфигурацию.

Возможны самые разные пентакварки, при этом разные комбинации кварков дают разные частицы. Чтобы определить, какие кварки составляют данный пентакварк, физики используют обозначение qqqqq, куда q и q соответственно относятся к любой из шести разновидностей кварков и антикварков. Символы u, d, s, c, b и t обозначают вверх, вниз, странный, очарование, Нижний, и верх кварков соответственно, с символами ты, d, s, c, б, т соответствующие антикваркам. Например, пентакварк, состоящий из двух верхних кварков, одного нижнего кварка, одного очарованного кварка и одного очаровательного антикварка, будет обозначен uudc.c.

Кварки связаны между собой сильная сила, который 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.^{[nb 1]} 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 нейтрализации лишнего цвета (например, антисиний).^[10]

Механизм связывания пентакварков пока не ясен. Они могут состоять из пяти тесно связанных друг с другом кварков, но также возможно, что они связаны более слабо и состоят из трехкваркового бариона и двухкваркового мезона, относительно слабо взаимодействующих друг с другом посредством пионный обмен (та же сила, которая связывает атомные ядра ) в «мезон-барионной молекуле».^[3][11][12]

История

Середина 2000-х

Требование включить антикварк означает, что многие классы пентакварков трудно идентифицировать экспериментально - если аромат антикварка совпадает с ароматом любого другого кварка в пятерке, он будет компенсироваться, и частица будет напоминать своего трехкваркового кузена адрона . По этой причине ранние поиски пентакварков искали частицы, у которых антикварк не сокращался.^[10] В середине 2000-х годов было проведено несколько экспериментов по обнаружению состояний пентакварка. В частности, резонанс с масса из 1540 МэВ /c² (4.6 σ ) сообщил ЛЕПС в 2003 г.
Θ⁺
.^[13] Это совпало с состоянием пентакварка с массой 1530 МэВ /c² предсказан в 1997 году.^[14]

Предлагаемое состояние состояло из двух до кварков, два вниз кварки, и один странный антикварк (uudds). После этого объявления девять других независимых экспериментов сообщили о наблюдении узкие вершины из
п

K⁺
и
п

K⁰
, с массами между 1522 МэВ /c² и 1555 МэВ /c², все выше 4 σ.^[13] Хотя существовали опасения по поводу действительности этих состояний, Группа данных о частицах дал
Θ⁺
3 звезды (из 4) в 2004 г. Обзор физики элементарных частиц.^[13] Сообщалось о двух других состояниях пентакварка, хотя и с низкой статистической значимостью:
Φ⁻⁻
(ddssты) с массой 1860 МэВ /c² и
Θ⁰
_c (uuddc) с массой 3099 МэВ /c². Позже было обнаружено, что оба являются статистическими эффектами, а не истинными резонансами.^[13]

Затем десять экспериментов искали
Θ⁺
, но вышел с пустыми руками.^[13] В частности, два (один на BELLE, а другой на CLAS ) имел почти те же условия, что и другие эксперименты, которые утверждали, что обнаружили
Θ⁺
(ДИАНА и САФИР соответственно).^[13] 2006 год Обзор физики элементарных частиц заключил:^[13]

[T] здесь не было высокого статистического подтверждения ни одного из оригинальных экспериментов, которые утверждали, что видели
Θ⁺
; было два повтора с высокой статистикой Джефферсон Лаб 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
Θ⁺
; и все попытки подтвердить два других заявленных состояния пентакварка привели к отрицательным результатам. Вывод о том, что пентакварки в целом и
Θ⁺
, в частности, не существует, кажется убедительным.

2008 год Обзор физики элементарных частиц пошел еще дальше:^[6]

Есть два или три недавних эксперимента, которые находят слабые доказательства сигналов, близких к номинальным массам, но просто нет смысла сводить их в таблицу ввиду неопровержимых доказательств того, что заявленных пентакварков не существует ... Вся история - сами открытия Последовавшая волна работ теоретиков и феноменологов и возможное «не открытие» - любопытный эпизод в истории науки.

Несмотря на эти нулевые результаты, Результаты LEPS продолжали показывать существование узкого состояния с массой 1524±4 МэВ /c², с Статистическая значимость 5,1 σ.^[15]

Результаты LHCb за 2015 год

Диаграмма Фейнмана представляющий распад лямбда-бариона Λ⁰
_б в каон K⁻
и пентакварк п⁺
_c.

В июле 2015 г. LHCb сотрудничество в ЦЕРН идентифицировал пентакварки в Λ⁰
_б→ J / ψK⁻
п канал, который представляет собой распад нижнего лямбда-бариона (Λ⁰
_б) в J / ψ-мезон (Дж / ψ), а Каон (K⁻
) и протон (п). Результаты показали, что иногда вместо распада через промежуточные лямбда заявляет, что Λ⁰
_б распадается через промежуточные состояния пентакварка. Два государства, названные п⁺
_c(4380) и п⁺
_c(4450), имел отдельные статистические значения 9 σ и 12 σ соответственно, и совокупное значение 15 σ - достаточно, чтобы заявить о формальном открытии. Анализ исключил возможность того, что эффект был вызван обычными частицами.^[3] Оба пентакварковых состояния наблюдались с сильным распадом на Дж / ψp, следовательно, содержание валентных кварков должно составлять два до кварков, а вниз кварк, а очаровательный кварк, и античарм кварк (
ты

ты

d

c

c
), делать их чармоний -пентакварки.^[7][9][16]

Поиск пентакварков не был целью эксперимента LHCb (который в первую очередь предназначен для исследования асимметрия вещества-антивещества )^[17] и кажущееся открытие пентакварков было описано как «случайность» и «что-то, на что мы наткнулись» Координатор по физике эксперимента.^[11]

Исследования пентакварков в других экспериментах

Подходит для Дж / ψp спектр инвариантных масс для Λ⁰
_б→ J / ψK⁻
п распад, при этом каждый подходящий компонент показан индивидуально. Вклад пентакварков показан штриховкой. гистограммы.

Образование пентакварков из электрослабых распадов Λ⁰
_б барионы имеют чрезвычайно малое поперечное сечение и дают 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 зале B. E2-16-007 и зал C E12-12-001A эксперименты в JLAB. Основная проблема в этих исследованиях - это большая масса пентакварка, которая 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 ^[18] 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 производиться с небольшой скоростью в лабораторных условиях и будут легко обнаруживаться. Кроме того, если есть нейтральные пентакварки, как это предлагается в некоторых 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 После @ LHC и НИКА.

Результаты LHCb 2019

26 марта 2019 года коллаборация LHCb объявила об открытии нового пентакварка на основе наблюдений, прошедших порог 5 сигм, с использованием набора данных, который был во много раз больше, чем набор данных 2015 года.^[8]

Обозначен P_c(4312)⁺ (П_c⁺ обозначает чармоний-пентакварк, а число в скобках указывает на массу около 4312 МэВ), пентакварк распадается на протон и J / ψ-мезон. В ходе анализа дополнительно выяснилось, что ранее опубликованные наблюдения P_c(4450)⁺ пентакварк на самом деле был средним двух разных 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 решеточная КХД.^[19] Конфайнмент в квантовой хромодинамике приводит к образованию флюсовые трубки подключение цветных зарядок. Флюсовые трубки выглядят привлекательно Строка QCD -подобные потенциалы.

Открытие пентакварков позволит физикам изучать сильная сила более подробно и поможет понять квантовая хромодинамика. Кроме того, современные теории предполагают, что некоторые очень большие звезды производят пентакварки при коллапсе. Изучение пентакварков может помочь пролить свет на физику нейтронные звезды.^[9]

Смотрите также

• Барион (трикварк)
• Экзотическая материя
• Список частиц
• Кварковая модель
• Тетракварк
• Гексакварк
• Гептакварк

Сноски

1. Цветовые заряды не соответствуют физическим видимым цветам. Это произвольные обозначения, которые помогают ученым описывать и визуализировать заряды кварков.

Рекомендации

1. Gignoux, C .; Сильвестр-Брак, В .; Ричард, Дж. М. (1987-07-16). «Возможность стабильных многокварковых барионов». Письма по физике B. 193 (2): 323–326. Bibcode:1987ФЛБ..193..323Г. Дои:10.1016/0370-2693(87)91244-5.
2. Х. Ю. Липкин (1987). «Новые возможности для экзотических адронов - странных барионов с защитой от повреждений». Письма по физике B. 195 (3): 484–488. Bibcode:1987ФЛБ..195..484Л. Дои:10.1016/0370-2693(87)90055-4.
3. "Наблюдение за частицами, состоящими из пяти кварков, состояний пентакварк-чармоний, наблюдаемых в Λ⁰
   _б→ J / ψpK⁻ распадается ". ЦЕРН /LHCb. 14 июля 2015 г.. Получено 2015-07-14.
4. Х. Мьюир (2 июля 2003 г.). «Открытие пентакварка приводит скептиков в замешательство». Новый ученый. Получено 2010-01-08.
5. К. Хикс (23 июля 2003 г.). «Физики находят доказательства существования экзотического бариона». Университет Огайо. Архивировано из оригинал 8 сентября 2016 г.. Получено 2010-01-08.
6. См. Стр. 1124 дюймC. Amsler et al. (Группа данных о частицах ) (2008). «Обзор физики элементарных частиц» (PDF). Письма по физике B. 667 (1–5): 1–6. Bibcode:2008ФЛБ..667 .... 1А. Дои:10.1016 / j.physletb.2008.07.018.
7. R. Aaij et al. (LHCb сотрудничество ) (2015). "Наблюдение резонансов J / ψp, согласующихся с состояниями пентакварка в Λ⁰
   _б→ J / ψK⁻p распадается ». Письма с физическими проверками. 115 (7): 072001. arXiv:1507.03414. Bibcode:2015ПхРвЛ.115г2001А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.115.072001. PMID  26317714.
8. «Эксперимент LHCb открыл новый пентакварк». ЦЕРН. 26 марта 2019 г.. Получено 26 апреля 2019.
9. I. Образец (14 июля 2015 г.). "Ученые на Большом адронном коллайдере открывают новые частицы: пентакварки". Хранитель. Получено 2015-07-14.
10. Я. Походзалла (2005). «Дуэты странных кварков». Адронная физика. п. 268. ISBN  978-1614990147.
11. Г. Амит (14 июля 2015 г.). «Открытие пентакварка на LHC показывает долгожданную новую форму материи». Новый ученый. Получено 2015-07-14.
12. Т. Д. Коэн; П. М. Хохлер; Лебедь Р. Ф. (2005). "О существовании тяжелых пентакварков: большой N_c и пределы тяжелых кварков и выше ". Физический обзор D. 72 (7): 074010. arXiv:hep-ph / 0508199. Bibcode:2005ПхРвД..72г4010С. Дои:10.1103 / PhysRevD.72.074010.
13. W.-M. Yao et al. (Группа данных о частицах ) (2006). «Обзор физики элементарных частиц:
    Θ⁺
    " (PDF). Журнал физики G. 33 (1): 1–1232. arXiv:Astro-ph / 0601168. Bibcode:2006JPhG ... 33 .... 1л. Дои:10.1088/0954-3899/33/1/001.
14. Д. Дьяконов; В. Петров, М. Поляков (1997). «Экзотический антидекуплет барионов: предсказание по киральным солитонам». Zeitschrift für Physik A. 359 (3): 305. arXiv:hep-ph / 9703373. Bibcode:1997ZPhyA.359..305D. CiteSeerX  10.1.1.44.7282. Дои:10.1007 / s002180050406.
15. T. Nakano et al. (Сотрудничество LEPS ) (2009). "Доказательства Θ⁺ в γd → K⁺K⁻pn реакция ». Физический обзор C. 79 (2): 025210. arXiv:0812.1035. Bibcode:2009PhRvC..79b5210N. Дои:10.1103 / PhysRevC.79.025210.
16. П. Ринкон (14 июля 2015 г.). «Большой адронный коллайдер обнаружил новую частицу пентакварка». Новости BBC. Получено 2015-07-14.
17. "Куда пропало все антивещество?". ЦЕРН /LHCb. 2008. Получено 2015-07-15.
18. Шмидт, Иван; Сиддиков, Марат (3 мая 2016 г.). «Образование пентакварков в pA-столкновениях». Физический обзор D. 93 (9): 094005. arXiv:1601.05621. Bibcode:2016PhRvD..93i4005S. Дои:10.1103 / PhysRevD.93.094005.
19. Н. Кардосо; М. Кардозу и П. Бикудо (2013). "Цветовые поля статической системы пентакварков, вычисленные в КХД на решетке SU (3)". Физический обзор D. 87 (3): 034504. arXiv:1209.1532. Bibcode:2013PhRvD..87c4504C. Дои:10.1103 / PhysRevD.87.034504.

дальнейшее чтение

• Дэвид Уайтхаус (1 июля 2003 г.). "Узрите Пентакварк (BBC News)". Новости BBC. Получено 2010-01-08.
• Томас Э. Браудер; Игорь Р. Клебанов; Дэниел Р. Марлоу (2004). «Перспективы производства пентакварков на мезонных фабриках». Письма по физике B. 587 (1–2): 62. arXiv:hep-ph / 0401115. Bibcode:2004ФЛБ..587 ... 62Б. Дои:10.1016 / j.physletb.2004.03.003.
• Акио Сугамото (2004). «Попытка изучения пентакварковых барионов в теории струн». arXiv:hep-ph / 0404019.
• Кеннет Хикс (2005). "Экспериментальный обзор
  Θ⁺
  Пентакварк ». Journal of Physics: Серия конференций. 9 (1): 183–191. arXiv:hep-ex / 0412048. Bibcode:2005JPhCS ... 9..183H. Дои:10.1088/1742-6596/9/1/035.
• Марк Пеплоу (18 апреля 2005 г.). «Сомнение брошено на пентакварки». Природа. Дои:10.1038 / news050418-1.
• Мэгги Маккай (20 апреля 2005 г.). «Охота на пентакварк рисует пробелы». Новый ученый. Получено 2010-01-08.
• Национальный ускорительный комплекс Томаса Джефферсона (21 апреля 2005 г.). «Это или не так? Дебаты по пентакварку разгораются». SpaceDaily.Com. Получено 2010-01-08.
• Дмитрий Дьяконов (2005). «Релятивистское приближение среднего поля к барионам». Европейский физический журнал A. 24 (1): 3–8. Bibcode:2005EPJAS..24a ... 3D. Дои:10.1140 / epjad / s2005-05-001-3.
• Шумахер, Р. А. (2006). «Взлет и падение пентакварков в экспериментах». Материалы конференции AIP. 842: 409. arXiv:nucl-ex / 0512042. Bibcode:2006AIPC..842..409S. CiteSeerX  10.1.1.285.7719. Дои:10.1063/1.2220285.
• Кэндис Картер (2006). "Взлет и падение пентакварка". Журнал Симметрия. 3 (7): 16.

внешняя ссылка

• "Пентакварк на arxiv.org".