Пентакварк, опять пентакварк?

Николай Никитин, НИИЯФ МГУ

В последние месяцы среди экспериментальных групп развернулась настоящая "гонка престижа". После сообщения японской коллаборации LEPS об открытии первого пятикваркового состояния (эту новость уже несколько раз доступно пересказывали в русскоязычном секторе Интернет, например, в популярных заметках (1), (2) и (3)), многие экспериментальные группы принялись перепроверять свои данные на предмет обнаружения пентакварка $\Theta^+(1540)$ или его собратьев по антидекуплету, существование которого было предсказано в теоретической работе (4). В предисловии и следующем за ним переводе из международного журнала по физике высоких энергий "CERN Courier" рассказывается о последних экспериментальных открытиях на пути изучения пентакварков.

Из множества вопросов, которые возникают у людей, впервые заинтересовавшихся пентакварками, можно выделить три основных.

Первый: чем интересны пятикварковые состояния? Следует сразу подчеркнуть, что существование пентакварков не переворачивает современную картину мира и не противоречит принятой на сегодняшний день теории элементарных частиц -- так называемой Стандартной Модели (СМ), которая включает в себя калибровочную теорию электрослабых взаимодействий Глэшоу-Вайнберга-Салама и калибровочную теорию сильных взаимодействий -- Квантовую хромодинамику (КХД). Более того, предсказание существования антидекуплета пентакварков является прямым следствием приближенной SU(3)-симметрии сильных взаимодействий, которая возникает в КХД, если считать, что массы трех самых легких кварков u, d и s примерно одинаковы по сравнению с характерным адронным масштабом ~1 ГэВ.

Подобная SU(3) массовая симметрия является прямым обобщением SU(2) массовой симметрии сильных взаимодействий (изотопической симметрии), когда одинаковыми предполагаются только массы u- и d-кварков. Поскольку конституентные массы u- и d-кварков численно примерно равны между собой, а масса конституентного s-кварка больше примерно в три раза, то изотопическая симметрия в природе реализуется с гораздо большей точностью, чем массовая SU(3)-симметрия.

Стоит подчеркнуть, что обсуждаемую выше ПРИБЛИЖЕННУЮ SU(3)-симметрию сильных взаимодействий ни в коем случае нельзя путать с ТОЧНОЙ цветовой SU(3)-симметрией сильных взаимодействий. Хотя, с точки зрения математического аппарата теории групп, эти две симметрии задаются при помощи одинаковых математических преобразований, но, с точки зрения физики, их происхождение имеет совершенно различную природу. Поэтому разную природу и степень предсказательной точности имеют следствия существования этих двух SU(3)-симметрий сильных взаимодействий. Студентам-физикам старших курсов и читателям с высшим образованием, более подробно заинтересовавшимся данным вопросом, для изучения SU(3)-симметрий сильных взаимодействий "не отходя от компьютера" можно рекомендовать курс лекций (14).

Интерес ученых к пентакваркам можно сравнить с работой мастера-гончара, который уже вылепил кувшин для воды, а теперь добивается идеальной формы его стенок, горлышка и ручки. Ученые тоже имеют в своем распоряжении "кувшин для описания сильных взаимодействий" -- Квантовую хромодинамику, с момента создания которой прошло уже более 30 лет. КХД дает множество предсказаний, в том числе предсказание о возможности существования в природе состояний с четырьмя кварками и одним антикварком (именно такие состояния получили названия "пентакварк") и, например, абсолютной невозможности состояний с двумя кварками и одним антикварком. До недавнего времени ни те, ни другие состояния не наблюдались. В настоящее время "разрешенные" пентакварки, по всей видимости, наблюдаются в нескольких экспериментах, а принципиально невозможные с точки зрения КХД двукварково-одноантикварковые состояния по-прежнему не открыты.

Таким образом, наблюдение пентакварков позволило ученым дополнительно подтвердить правильность КХД и получить новые данные для более детального исследования сильных взаимодействий, иными словами довести до совершенства "ручку" "кувшина", ведь именно совершенство отличает высокохудожественное творение настоящего мастера-физика от грубой поделки ремесленника-одержимца.

Второй вопрос: в каких еще экспериментах, помимо японского эксперимента LEPS, зафиксированы сигналы от $\Theta ^+(1540)$ ? Ниже приводится таблица с перечнем экспериментов, которые заявили о наблюдении $\Theta^+(1540)$ , каналов, в которых эти наблюдения были выполнены, и найденых характеристик $\Theta^+(1540)$ -частицы. В Таблице 1 требуют пояснения некоторые обозначения: A -- ядро (применяется для тех эксперимнтов, в которых рождение пентакварка исследовалось в однотипных реакциях на нескольких ядрах), X -- все возможные другие частицы (применяется для обозначения несущественных частиц в инклюзивных реакциях), d -- дейтон, -- короткоживущая компонента -мезона.

Из таблицы хорошо видно, что имеется существенный разброс в массах пентакварка и в его ширинах. Однако, во многих случаях измерение ширины лимитировалось разрешающей способностью аппаратуры.

Таблица: Сводка экспериментальных данных по обнаружению сигнала от $\Theta ^+(1540)$ . Частицы в скобках образуют те пары, в распределении по инвариантной массе которых был обнаружен пентакварк. Следует напомнить, что инвариантной массой двух частиц называется величина $M_{inv}\, =\,\sqrt{(E_1\, +\, E_2)^2\, -\, ({\bf p}_1\, +\,{\bf p}_2)^2}$ , где и ${\bf p}_i$ -- энергия и импульс каждой из частиц в некоторой системе координат. Эксперимент	Страна	Масса	Ширина	Реакция	Ссылка
		(МэВ)	(МэВ)
LEPS	Япония	$1540\,\pm\, 10\,\pm\, 5$	25	$\gamma\,\, ^{12}C\,\to\, (K^+\, n)\, X$	(5)
CLAS(d)	США	$1542\,\pm\, 2\,\pm\, 5$	21	$\gamma\, d\,\to\, (K^+\, n)\, K^-\, p$	(6)
DIANA	Россия	$1539\,\pm\, 2\,\pm\, ''few''$	9	$K^+\, Xe\,\to\, (K^0\, p)\, Xe'$	(7)
SAPHIR	Германия	$1540\,\pm\, 4\,\pm\, 2$	25	$\gamma\, p\,\to\, (K^+\, n)\, K^0_s$	(8)
ИТЭФ	Россия	$1533\,\pm\, 5$	20	$\nu\, A\,\to\, (K^0_S\, p)\, X$	(9)
CLAS(p)	США	$1555\,\pm\, 1\,\pm\, 10$	$26\,\pm\, 7$	$\gamma\, p\,\to\, (K^+\, n)\, K^-\,\pi^+$	(10)
HERMES	Германия	$1528\,\pm\, 2,6\,\pm\, 2,1$	$19\,\pm\, 5\,\pm\, 2$	$e\, p\,\to\, (K^0_S\, p)\, X$	(11)
СВД-2	Россия	$1526\,\pm\, 3\,\pm\, 3$	24	$p\, A\,\to\, (K^0_S\, p)\, X$	(12)
ZEUS	Германия	$1527\,\pm\, 2$	--	$e\, p\,\to\, (K^0_S\, p)\, X$	(13)