871
Пошук однієї з найневловиміших частинок, передбачених сучасною фізикою, вийшов на новий вирішальний етап. Колаборація BESIII на електрон-позитронному колайдері в Пекіні повідомила, що частинка X(2370) має домінуючу складову псевдоскалярного глюболу з квантовими числами спіну та парності 0⁻⁺. Про це оголосили 5 серпня на пленарній доповіді Міжнародної конференції з фізики високих енергій у Бразилії після майже п’ятнадцяти років експериментальних досліджень, про що розповідає ресурс Scienmag.
Глюболи — це гіпотетичні частинки, що складаються виключно з глюонів, елементарних носіїв сильної взаємодії, які «склеюють» кварки всередині протонів, нейтронів та інших адронів. У квантовій хромодинаміці (QCD) глюони відрізняються від фотонів тим, що самі несуть «колірний» заряд сильної взаємодії. Це дозволяє їм безпосередньо взаємодіяти один з одним і, в принципі, утворювати зв’язані стани без участі кварків.
Такі стани означали б принципово іншу форму матерії — частинки, побудовані лише з полів, що переносять силу. Існування глюболів є фундаментальним наслідком неабелевої калібрувальної структури QCD, теорії сильної взаємодії.
Що таке псевдоскалярний глюбол і чому його важко знайти
На високих енергіях сильна взаємодія слабшає — явище, відоме як асимптотична свобода. Натомість на низьких енергіях QCD стає надзвичайно складною, а кварки й глюони «зачинені» всередині складених частинок. Щоб обчислити властивості чисто глюонного зв’язаного стану в цьому режимі, потрібні потужні чисельні методи, зокрема ґраткова QCD, де простір-час подають у вигляді дискретної сітки.
Такі розрахунки вже давно передбачають, що найлегший псевдоскалярний глюбол має масу, близьку до маси X(2370). Саме ця частинка вперше з’явилася в даних BESIII у 2011 році в розпадах частинки J/ψ.
J/ψ — це стан чармонію, що складається з кварка чарівності та антикварка чарівності. Його розпади можуть породжувати фінальні стани, багаті на глюони, тому величезні вибірки подій J/ψ, отримані на пекінському колайдері, особливо цінні для пошуку глюболів. Сильна взаємодія може перетворювати енергію J/ψ на кілька глюонів, тож продукти його розпаду створюють чутливе середовище для виявлення резонансів із суттєвою глюонною складовою.
Як BESIII визначив природу X(2370)
Протягом понад десяти років природа X(2370) залишалася невизначеною. Одна лише маса не дозволяє встановити, чи є частинка глюболом, адже звичайні мезони з кварк-антикваркових пар можуть мати подібні маси. Потрібно знати її квантові числа, канали розпаду та зв’язок зі смаковою (flavor) симетрією.
Використавши значно розширений набір даних — близько 10 мільярдів подій J/ψ, колаборація BESIII у 2024 році вперше визначила спін і парність X(2370). Отриманий результат, 0⁻⁺, збігається з очікуваними квантовими числами псевдоскалярного глюболу.
Позначення 0⁻⁺ несе конкретну фізичну інформацію. Нуль означає, що частинка має нульовий повний спін. Мінус вказує на від’ємну парність, тобто на те, як її квантовий стан змінюється при просторовому віддзеркаленні. Плюс позначає додатну парність відносно зарядового спряження — перетворення, що міняє місцями частинки й античастинки. Така комбінація рідкісна й дуже показова, а її збіг із передбаченнями ґраткової QCD для псевдоскалярного глюболу посилив аргументи, що X(2370) не є звичайним мезоном.
Тепер BESIII додав ще одну ключову ланку: виявлено кілька раніше не спостережених каналів розпаду X(2370). Крім того, колаборація встановила, що частинка має характер флейвор-синглета.
Флейвор-синглет і «ланцюг доказів» глюонної природи
У фізиці частинок флейвор-синглетний стан не пов’язаний переважно з якимось одним смаком кварка — наприклад, верхнім, нижнім чи дивним. Натомість він симетрично взаємодіє з усім сектором легких кварків. Саме такої поведінки очікують від стану, побудованого переважно з глюонів.
Оскільки глюони не несуть смаку кварків, виразний сигнал флейвор-синглета є одним із найважливіших експериментальних аргументів на користь глюбольної інтерпретації. Разом із виміряними квантовими числами, узгодженням маси з передбаченнями ґраткової QCD, новими каналами розпаду та флейвор-синглетною поведінкою це утворює те, що BESIII описує як «повний ланцюг доказів».
Висновок колаборації полягає в тому, що в X(2370) має домінувати псевдоскалярна глюбольна складова. Це не обов’язково означає, що частинка є ідеально «чистим» глюболом. У світі сильної взаємодії стани з однаковими квантовими числами можуть змішуватися, і глюонні та кваркові конфігурації здатні перекриватися. Проте демонстрація домінуючого глюонного вмісту стала б найпереконливішим на сьогодні експериментальним свідченням того, що глюони можуть зв’язуватися в новий тип адронної матерії.
Що це означає для квантової хромодинаміки
Значення результату виходить далеко за межі відкриття однієї резонансної частинки. Підтверджений глюбол дав би прямий низькоенергетичний тест неабелевої структури QCD, доповнюючи раніше встановлену асимптотичну свободу на високих енергіях. Це також надало б теоретикам рідкісну можливість порівняти детальні передбачення непертурбативної QCD з виміряними масами, швидкостями розпаду та особливостями народження частинок.
Таким чином, результати BESIII торкаються однієї з найстійкіших відкритих проблем фізики елементарних частинок: чи можуть переносники фундаментальної взаємодії самі збиратися в стабільні, спостережувані частинки.
Роль великого колайдера та міжнародної співпраці
Отримані висновки також підкреслюють наукову цінність тривалого збору даних і великих міжнародних установок. Після масштабної модернізації пекінського електрон-позитронного колайдера у 2008 році BESIII накопичив понад 10 мільярдів подій J/ψ, ставши провідним експериментом у енергетичному діапазоні тау-чарм.
У колаборації беруть участь близько 700 науковців із приблизно 96 наукових установ у 15 країнах. Останній аналіз спирався на багаторічну роботу з експлуатації прискорювача, розвитку детекторів, програмного забезпечення та обчислювальної інфраструктури.
Якщо результати будуть підтверджені подальшими вимірюваннями та незалежними аналізами, X(2370) може стати першим по-справжньому переконливим експериментальним «вікном» у матерію, що складається переважно з глюонів, і важливою віхою у перевірці квантової хромодинаміки в її найскладнішому режимі.
Експеримент BESIII виявив у частинці X(2370) домінування глюболу з’явилася спочатку на Цікавості.
