Глюбол открыт: физики впервые подтвердили существование частицы из чистого сильного взаимодействия

В мире физики элементарных частиц произошло событие, которое может перевернуть наши представления о материи: ученые, работающие на коллайдере BES III в Китае, представили убедительные доказательства существования глюбола — частицы, состоящей исключительно из глюонов, переносчиков сильного ядерного взаимодействия. Это открытие, если оно будет окончательно подтверждено, станет триумфом квантовой хромодинамики и откроет новую главу в понимании фундаментальных сил природы. В отличие от протонов и нейтронов, которые содержат кварки, глюбол не содержит кварков вовсе, что делает его уникальным объектом, состоящим из чистого сильного взаимодействия. Долгое время его существование оставалось лишь теоретическим предсказанием, но теперь, возможно, мы впервые наблюдаем его в эксперименте.

Новое исследование, опубликованное в авторитетном журнале Physical Review Letters, представляет данные, которые убедительно указывают на существование глюбола. Ученые использовали данные коллайдера BES III, одного из самых мощных ускорителей частиц в мире, расположенного в Пекине. Они изучали распады J/psi-мезонов и обнаружили аномалию, которая лучше всего объясняется существованием глюбола с массой около 2,4 ГэВ. Это событие важно не только для физиков, но и для широкой публики, потому что оно подтверждает одну из самых странных идей в науке: существование материи, которая не состоит из атомов или даже кварков. Это открытие может помочь объяснить, почему Вселенная устроена именно так, а не иначе.

Глюбол: что это такое и почему его искали десятилетиями

Глюбол — это связанное состояние глюонов, аналогично тому, как атом является связанным состоянием электронов и ядра. В квантовой хромодинамике глюоны не только переносят сильное взаимодействие, но и взаимодействуют друг с другом. Это свойство приводит к существованию частиц, состоящих только из глюонов, — глюболов. Предсказания о существовании глюболов появились еще в 1970-х годах, но экспериментально их обнаружить было крайне сложно. Проблема в том, что глюболы очень нестабильны и распадаются почти мгновенно. Кроме того, их сигналы часто перекрываются с сигналами других частиц, что делает их идентификацию крайне затруднительной.

В 2015 году на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе уже были получены намеки на существование глюбола, но данных было недостаточно для уверенного вывода. Теперь же группа исследователей на коллайдере BES III в Пекине представила более убедительные доказательства. Ученые проанализировали данные распадов J/psi-мезонов — частиц, состоящих из очарованного кварка и антикварка. При распаде J/psi-мезона образуются другие частицы, и среди продуктов распада ученые искали следы глюбола. Ключевым моментом стало обнаружение частицы, обозначенной как X(2370). Ее свойства — масса, спин и четность — совпадают с теоретическими предсказаниями для глюбола. Более того, вероятность того, что это случайное совпадение, составляет менее 0,001%, что соответствует стандартам открытия в физике.

Однако ученые осторожны: для окончательного подтверждения необходимы дополнительные эксперименты. В частности, данные с других коллайдеров, таких как Большой адронный коллайдер, могли бы подтвердить или опровергнуть это открытие. Тем не менее, уже сейчас можно сказать, что это один из самых значимых результатов в физике высоких энергий за последние годы.

Почему глюбол так сложно обнаружить?

Глюболы — одни из самых неуловимых частиц в стандартной модели физики. Их сложность обнаружения связана с несколькими факторами. Во-первых, глюболы не имеют электрического заряда и не участвуют в электромагнитном взаимодействии, поэтому их нельзя зарегистрировать напрямую с помощью детекторов, чувствительных к заряженным частицам. Во-вторых, они распадаются за ничтожно короткое время — порядка 10^-23 секунды, что сравнимо с временем жизни других резонансов. В-третьих, их сигналы часто маскируются фоновыми процессами, такими как распады обычных мезонов. Именно поэтому для поиска глюболов требуются коллайдеры с высокой светимостью и сложные методы анализа данных.

Как ученые нашли глюбол: анализ распадов J/psi-мезонов

Исследователи из коллаборации BES III использовали данные, собранные на электрон-позитронном коллайдере BEPC II в Пекине. Они изучали процесс e+e- → J/ψ → γ X(2370) → γ π+π-η', где X(2370) — кандидат в глюбол. Анализируя инвариантную массу системы π+π-η', ученые обнаружили четкий пик в районе 2,37 ГэВ, который соответствует частице X(2370). Этот пик имеет статистическую значимость более 5 стандартных отклонений, что является общепринятым порогом для заявления об открытии в физике элементарных частиц.

Особенно важным является то, что квантовые числа X(2370) — спин, четность и зарядовое сопряжение — согласуются с предсказаниями для глюбола, полученными в рамках решеточной квантовой хромодинамики. Решеточная КХД — это мощный метод, который позволяет вычислять свойства частиц, решая уравнения КХД на дискретной пространственно-временной решетке. Предсказания для массы глюбола варьируются в диапазоне 2,2–2,5 ГэВ, и X(2370) попадает точно в этот диапазон. Кроме того, вероятность того, что X(2370) является обычным мезоном, например, радиальным возбуждением η или η', крайне мала, поскольку его свойства не соответствуют ни одному известному мезону.

Тем не менее, ученые подчеркивают, что для полного подтверждения необходимы дополнительные исследования. В частности, нужно измерить все каналы распада X(2370) и сравнить их с предсказаниями для глюбола. Также важно изучить, как X(2370) взаимодействует с другими частицами, чтобы исключить альтернативные интерпретации. Планируются эксперименты на других коллайдерах, включая модернизированный Большой адронный коллайдер, который заработает в 2029 году и сможет предоставить более детальную информацию.

Что это значит для физики и для нас

Если открытие глюбола будет окончательно подтверждено, оно станет триумфом квантовой хромодинамики — теории, которая описывает сильное взаимодействие. Это также поможет объяснить, почему кварки никогда не встречаются в одиночку, а всегда связаны в адроны. Глюболы — это уникальная лаборатория для изучения сильного взаимодействия, поскольку они состоят только из глюонов, и их свойства напрямую зависят от нелинейных эффектов КХД. Изучение глюболов может пролить свет на такие явления, как конфайнмент — удержание кварков и глюонов внутри адронов, и пленение — механизм, который не позволяет наблюдать свободные кварки.

Для обычных людей это открытие может показаться далеким от повседневной жизни, но оно важно для понимания фундаментальных законов природы. Кроме того, исследования в области физики элементарных частиц часто приводят к технологическим прорывам, таким как развитие медицинской визуализации и ускорителей, используемых в онкологии. Например, методы детектирования частиц, разработанные для коллайдеров, нашли применение в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и адронной терапии рака. Российские ученые также участвуют в подобных исследованиях, например, в коллаборации BES III. Это открытие может укрепить позиции российской науки в мировой физике высоких энергий.

Что будет дальше: планы по подтверждению открытия

Ученые планируют провести дополнительные эксперименты на BES III и других ускорителях, чтобы подтвердить открытие. В ближайшие годы коллаборация BES III продолжит набор данных, увеличивая статистику и позволяя более точно измерить свойства X(2370). Также ожидается, что данные с модернизированного Большого адронного коллайдера, который заработает в 2029 году, позволят получить более детальную информацию о глюболах. На БАК глюболы могут рождаться в процессах слияния глюонов, и их поиск будет одной из задач экспериментов ATLAS и CMS.

Кроме того, теоретики продолжат совершенствовать предсказания решеточной КХД, чтобы получить более точные значения массы и свойств глюбола. Сравнение экспериментальных данных с теоретическими предсказаниями позволит проверить наше понимание сильного взаимодействия в экстремальных условиях. Если глюбол будет окончательно подтвержден, это станет одним из самых значимых открытий в физике за последние годы. Оно не только подтвердит теоретические предсказания, но и откроет новые вопросы о природе сильного взаимодействия, например, о существовании других экзотических адронов, таких как тетракварки и пентакварки.

Итог

Открытие глюбола — это важный шаг в понимании фундаментальной структуры материи. Если оно подтвердится, оно изменит учебники физики и может привести к новым технологиям. Следите за новостями из мира физики высоких энергий — впереди еще много открытий. Ученые продолжают исследовать самые глубокие тайны Вселенной, и каждый новый результат приближает нас к полной картине мироздания.