Возможное открытие новой частицы N*(1685)

06 октября 2014 г.

Открытие в 30-х годах внутреннего устройства атома и в 50-х годах устройства ядра привели к стремительному развитию технологий, индустрии и энергетики. Такой же прорыв можно ожидать после достижения понимания того, как устроены базовые элементы материи – протон и нейтрон (общее название – нуклон). Исследование структуры нуклона является одной из приоритетных задач в современной физике.

Представление о нуклоне как о связанной системе трех кварков в 60-х годах дало блестящие результаты – были описаны все известные легкие барионы, скомбинированные в ныне известные группы частиц (мультиплеты) – октет и декуплет (группы из восьми и десяти частиц). Было предсказано существование новой, до того времени неизвестной элементарной частицы сигма-гиперона, который через несколько лет был открыт экспериментально. Однако в 80-х годах случился так называемый спиновый кризис: из экспериментов по рассеянию электронов и мюонов стало ясно, что спин нуклона (спин – одна из важных характеристик частицы) не является суммой спинов кварков, что привело к пониманию того, что внутренняя структура нуклона более сложная. Трех-кварковая модель была модифицирована: нуклон стал рассматриваться как связанная система трех «эффективных» конституэнтных кварков (Constituent Quark Model - CQM) – трех «основных» кварков, окруженных виртуальными кварк-антикварковыми парами. В течение десятилетий CQM считалась наиболее успешным средством для описания известных барионов.

С течением времени стали возникать сомнения: Квантовая Хромодинамика (наука о взаимодействии кварков) не запрещает существование более сложных систем, состоящих из пяти, семи и более кварков. Однако десятилетия поиска пента- и септакварков на базе предсказаний CQM не увенчались успехом.

Одним из источников информации о внутренней структуре нуклона является спектр его возбужденных состояний – нуклонных резонансов. Эти резонансы возникают вследствие передачи нуклону внешней энергии, например, при его столкновении с другой частицей (пи-мезоном, фотоном, другим нуклоном и т.д.). После образования резонансы существуют (физики говорят «живут») некоторое время, а затем распадаются на несколько элементарных частиц.

CQM предсказывает большое количество короткоживущих нуклонных резонансов со временем жизни 10 -22 - 10 -24 с и разными массами. При проведении эксперимента эти резонансы наблюдаются как достаточно широкие особенности (100 – 400 МэВ) в зависимости выхода реакции от энергии налетающей частицы (фотоном, пи-мезоном и т.д.), сгенерированной ускорителем. Например, как пик или провал в вероятности взаимодействия налетающей частицы с нуклоном (сечении реакции).

В 60-80 годы существование примерно половины предсказанных резонансов было установлено в экспериментах по взаимодействию пи-мезонов с нуклоном. Было высказано предположение, что остальные резонансы не проявляют себя в реакциях с пи-мезонами, но могут быть видны в реакциях с жесткими фотонами (гамма-квантами). Было построено несколько новых установок – GRAAL (Гренобль, Франция), CLAS@HALLB (Ускорительный комплекс им. Т. Джефферсона, Ньюпорт-Ньюс, США), MaMiB и MaMiC (Майнц, Германия), ELSA (Бонн, Германия), LNS (Сёндэ, Япония) и др. Однако несмотря на наличие большого количества новых высокопрецизионных экспериментальных данных, существование только нескольких новых резонансов было установлено экспериментально, тогда как существование некоторых, открытых ранее, было поставлено под сомнение. Эта проблема получила название «потерянных резонансов (missing resonances)».

В настоящее время существование многих резонансов, предсказанных CQM, находится под вопросом. Можно предположить, что необходима ревизия теоретической модели описания нуклона.

Модель Кирального Солитона (ChiralSolitonModel - χ QM) предлагает альтернативное описание нуклона и нуклонных резонансов, которые рассматриваются как возбужденные состояния, возникающие при квантовании возбуждений некоего специфичного объекта – солитона в киральном поле, который упрощенно можно представить как «сгусток энергии», сконцентрированный в определенной точке пространства. χ QM предсказывает точно такие же низшие мультиплеты – октет и декуплет (т.е. системы из восьми и десяти похожих по кварковому составу барионов), как и CQM. Однако следующим мультиплетом является антидекуплет. Существование антидекуплета было предсказано в 1997 году физиками из ПИЯФ НИЦ КИ Д. Дьяконовым, В. Петровым и М. Поляковым. По своим квантовым числам частицы – члены антидекуплета – пентакварки (с точки зрения CQM). Их параметры – массы и долгое время жизни – расходятся с теми, которые получаются для пентакварков в расчетах на базе CQM.

Естественным развитием χ QM, связанным с переходом к партонной (от англ. part – часть; частички, не взаимодействующие между собой) структуре нуклона, является модель среднего поля (Mean Field Approach - MFA), предложенная Д. Дьяконовым, В. Петровым и А. Владимировым. Барионы рассматриваются как многокварковые системы, находящиеся в некотором усредненном поле, образующемся вследствие взаимодействия кварков и антикварков между собой.

Таким образом, в настоящее время есть несколько моделей для описания структуры нуклона (и всех барионов), которые имеют свои достоинства и недостатки. Их отличительной чертой являются разные предсказания о существовании долгоживущих барионов, которые получили название экзотических. Поиск экзотики может стать решающим для установления правильности, а также границ использования разных подходов и связи между ними.

В этом контексте недавнее наблюдение резонансной структуры при энергии 1.68 ГэВ в реакциях с фотонами и пионами потенциально может стать критическим, поскольку (с большой вероятностью) может быть сигналом нового долгоживущего резонанса N*(1685), что является открытием новой частицы.

Впервые сигнал этого возможного резонанса был получен коллаборацией GRAAL (Гренобль, Франция). При исследовании реакций фоторождения эта-мезона на нейтроне и протоне γn →ηn и γp →ηp был наблюден узкий пик при W~1.68 ГэВ в сечении на нейтроне, который отсутствовал в сечении на протоне. Несколько позже это наблюдение было подтверждено в различных экспериментах коллаборациями CBELSA/TAPS (Бонн, Германия), LNS (Сёндэ, Япония) и A2@MaMiC (Майнц, Германия). Помимо фоторождения η мезона, резонансная структура также была наблюдена в Комптоновском рассеянии на нейтроне γn →γn (GRAAL) и в упругом π N рассеянии π -p →π -p (коллаборация EPECUR (ИТЭФ – ПИЯФ)). По всей совокупности экспериментальных наблюдений резонанс N*(1685) был включен в последнее издание Обзора по физике частиц (Тне Review of Particle Physics), подготовленное медународным объединением Тhе Particle Data Group .

Существование такого резонанса противоречит предсказаниям традиционной Модели Конституэнтных Кварков. Вместе с тем его свойства, а именно масса около 1.685 ГэВ, долгое время жизни 10-21 сек, сильное фотовозбуждение на нейтроне и малая вероятность распада на пион-нуклонное конечное состояние, удивительно совпадают с теми, которые были предсказаны в рамках модели Кирального Солитона для второго члена мультиплета экзотических частиц – антидекуплета. Вместе с тем окончательная идентификация природы данного явления требует дополнительных усилий, в частности, определения квантовых чисел этого резонанса.

Если существование N*(1685) будет окончательно установлено экспериментально, то это будет прорывом в исследовании стуктуры нуклона, который потребует пересмотра устоявшихся теоретических концепций. На это направлены усилия нескольких научных групп из Германии, Японии, США. На лидирующей позиции в этом напралении находятся физики из ПИЯФ НИЦ КИ (В. Кузнецов, А. Гриднев, В. Сумачев, Н. Козленко и др.), которые работают в коллаборации с коллегами из университетов Бохума, Бонна, Майнца и Московского института теоретической и экспериментальной физики.

Канд. физ.-мат. наук В.А. Кузнецов

Гатчинская правда, № 110 (20554) от 30 сентября