Частица о пяти кварках – фантазия или реальность?

Три года назад в физике элементарных частиц произошло событие, всколыхнувшее научную общественность. Экспериментаторы сумели обнаружить невиданную ранее частицу - пентакварк.

Нобелевский комитет, принимая в 2004 году решение о присуждении самой престижной научной награды по физике, постановил наградить ученых-теоретиков Дэвида Гросса (David J. Gross), Дэвида Политцера (H. David Politzer) и Франка Вилчека (Frank Wilczek), внесших важнейший вклад в создание квантовой хромодинамики - теории, по законам которой "живут" кварки - неделимые частицы, элементарные кирпичики мироздания. Это событие с энтузиазмом было воспринято всеми ядерными физиками, которые в последнее время отнюдь не обласканы вниманием общественности и СМИ. Однако после присуждения Нобелевской премии, наряду со статьями о научных успехах и достижениях, в прессе появились и пессимистические прогнозы о перспективах физики элементарных частиц. Их авторы утверждают, что ничего существенно нового в этой области науки не происходит и не предвидится, а ученые ведут лишь тщательную проверку основополагающих теорий, разработанных несколько десятилетий назад. В частности, той же теории квантовой хромодинамики - уже больше тридцати лет. И вот разномастные апологеты теории о "конце науки" спешат торжественно зачитать некролог всей ядерной физике.

Но стоит ли так торопиться? Конечно, ядерная физика в настоящее время развивается не так бурно, как в середине прошлого века, что обусловлено целым рядом общественно-политических и экономических причин. Порой может показаться, что ученые заняты лишь проверкой ранее созданных гипотез и не предлагают ничего принципиально нового. Но, как показывает история познания окружающего мира, именно в такие периоды чаще всего и делаются неожиданные открытия[Достаточно вспомнить хорошо известный любому школьнику переворот в физике начала XX века. Тогда тоже казалось, что все природные явления уже открыты, изучены и объяснены; оставались лишь мелкие нерешенные вопросы в теории света и странное поведение частиц, иногда проявлявших себя как волны. Все мы знаем, к какой научной революции привели позже теория относительности и квантовая физика].

Три года назад в физике элементарных частиц действительно произошло событие, всколыхнувшее научную общественность и заставившее по-новому взглянуть на казавшиеся незыблемыми вещи. Нежданно-негаданно экспериментаторы, проверяя теоретическое предположение, которое многие вначале посчитали безумным, сумели обнаружить невиданную ранее частицу - пентакварк. Однако вслед за статьями об успехах в поиске пентакварка появилась и серия экспериментальных работ, результаты которых охлаждают энтузиазм, поначалу охвативший ученых. Так был ли "мальчик"?

Согласно современным представлениям, кварки являются первичной основой нашего мира. Сильное взаимодействие связывает кварки, образуя элементарные частицы, называемые адронами. До сих пор считалось, что в нашем мире существует только два типа адронов, которые можно "собрать" из кварков: трехкварковые барионы (например, протон и нейтрон - детали атомных ядер) и двухкварковые мезоны. В принципе нет никаких теоретических аргументов против возможности существования частиц из большего числа кварков - четырех, пяти и т. д. В 1960–80-х годах, во времена формирования и развития теории кваркового строения материи, экспериментаторы вели интенсивные поиски таких экзотических частиц, однако отсутствие положительных результатов сформировало скептическое отношение к самой идее частиц, состоящих более чем из трех кварков.

Тем не менее в 1997 году трое петербургских физиков, Дмитрий Дьяконов, Виктор Петров и Максим Поляков, решились выступить против устоявшегося мнения. В опубликованной ими статье утверждалось, что частицы из пяти кварков все-таки могут существовать. Неудачи поисков ученые объясняли тем, что пентакварк следует искать по очень узкому резонансу в области гораздо меньших по массе элементарных частиц, чем предполагалось ранее. По колоритному комментарию Дмитрия Дьяконова, "искали нечто расплывчатое на Луне, а настоящий пентакварк - рядом, маленький и изящный".

Первая реакция мирового научного сообщества на статью российских теоретиков оказалась более чем скептической. Эксперименты в области физики элементарных частиц требуют больших материальных и трудовых затрат. У экспериментальной группы должна быть достаточно сильная мотивация, прежде чем она начнет какой-либо новый проект, тем более такой рискованный. В данном случае все знали - "экзотики нет", что не способствовало повышению энтузиазма. Прошло несколько лет, прежде чем Дьяконову, Петрову и Полякову удалось убедить экспериментаторов проверить свое предсказание.

И, ко всеобщему удивлению, в начале 2003 года практически одновременно две независимые научные группы заявили об обнаружении пентакварка. Первыми оказались участники эксперимента LEPS на японском ускорителе SPring-8. Они обнаружили четкий пик, который неопровержимо свидетельствовал о рождении частицы, состоящей из пяти кварков. Тем более что характеристики новой частицы (масса покоя, ширина резонанса) точно соответствовали предсказанию российских ученых.

Вскоре об обнаружении пентакварка в другой ядерной реакции сообщили исследователи из московского Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ), проанализировавшие снимки, полученные еще в 1986 году с помощью ксеноновой пузырьковой камеры DIANA. Анатолию Долголенко и его коллегам удалось определить массу пентакварка и ширину его резонанса с большей точностью, чем японцам и группам экспериментаторов, занимавшимся тем же вопросом позже. (Эта работа - настоящий научный подвиг: небольшая группа в течение трех лет просмотрела около полумиллиона старых фотографий, снятых на давным-давно не существующей пузырьковой камере, - при мизерной зарплате, да еще и снося насмешливое отношение коллег-скептиков.)

Далее вести об обнаружении пентакварка пошли потоком, - их слали американская группа эксперимента CLAS из Национальной лаборатории имени Томаса Джефферсона, немецкие исследователи с ускорителя ELSA и из ядерного центра DESY, европейская группа эксперимента NA49 из ЦЕРНа и т. д. На настоящий момент сообщения об экспериментальном обнаружении пентакварка опубликовали уже двадцать научных коллективов. Во всех этих работах измеренные характеристики пентакварка, названного Дмитрием Дьяконовым Q+ (тета-плюс-барион), оказались идентичными (разумеется, в пределах точности каждого конкретного эксперимента).

Особенно важно, что обнаруженный пентакварк - не просто новый экземпляр в зверинце из сотен уже известных физикам элементарных частиц. Само существование подобной частицы проливает новый свет на механизмы функционирования микромира, до сих пор полного нерешенных вопросов и загадок. Теоретики из Петербурга утверждают, что тета+-барион - лишь одна из целого семейства пятисоставных частиц. "Перетасуем" различные комбинации из пяти кварков (коих насчитывается шесть разновидностей) - получим новые виды пентакварков. И действительно, в трех экспериментах уже были обнаружены свидетельства рождения других представителей этого экзотического семейства.

Однако далее ситуация с пентакварком стала еще более интересной, так как целый ряд экспериментальных групп не смогли найти его в "положенном" месте! Авторитетные научные коллективы экспериментов CDF, DELPHI, FOCUS, PHENIX и многих других (числом около тридцати) заявили о том, что искомое не удается усмотреть. Скептики вновь подняли голову: появились работы, объясняющие свидетельства рождения пентакварка недостаточной статистикой.

Самый серьезный удар по пентакварку нанесли в апреле 2005 года американские ученые из эксперимента CLAS (третья из научных групп, объявивших в 2003 году о его обнаружении). В эксперименте, проведенном по измененной схеме, они не смогли подтвердить свои прежние результаты. Узкий пик, свидетельствующий о рождении пентакварка, на новом графике, построенном на основе существенно большей статистики, вдруг исчез! Американцы поторопились широко объявить о своем результате, стремясь, по всей видимости, быть первыми в гонке по "закрытию" гипотезы пентакварка.

В то же время новые результаты, полученные первооткрывателями пентакварка - японской научной группой LEPS и российскими физиками из ИТЭФа, продолжают указывать на существование этой неуловимой частицы. Более полная статистика, более скрупулезный анализ - и сигнал от тета+-бариона продолжает оставаться на своем месте, подтверждая рождение пентакварка с возросшей достоверностью!

Подведем итог. Вопрос о существовании пентакварка до сих пор остается открытым. За последние три года появилось полсотни экспериментальных (два десятка подтверждающих существование пентакварка, три десятка - с нулевым результатом) и около четырехсот теоретических научных работ на эту животрепещущую тему. Нулевые результаты рано объявлять основанием для закрытия гипотезы, поскольку пока еще неизвестен механизм возможного рождения пентакварка и его физические свойства, слишком велик фон, осложняющий измерения, и т. д. Ожидается, что новые экспериментальные данные, над получением которых продолжают трудиться интернациональные научные коллективы, в течение ближайших нескольких лет помогут прояснить этот вопрос.

В любом случае, уже понятно, что за последние пару десятилетий гипотеза пентакварка стала серьезной "встряской" для ядерной физики. Это однозначно свидетельствует о том, что "смерти" данной области науки пессимистам придется ждать еще очень долго…
Автор благодарит Анатолия Григорьевича Долголенко за предоставленные фотографии камеры DIANA.