Кварконий с сюрпризом. Физики разгадывают тайны удивительных частиц.

— Как вы знаете, наш мир построен из атомов, ядра которых содержат протоны и нейтроны, состоящие, в свою очередь, из трех кварков. За то, чтобы удерживать кварки внутри протона и нейтрона, а последние собирать в различные ядра, отвечает сильное взаимодействие, — начал рассказ Павел Пахлов. — Помимо барионов есть еще один вид материи — мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Мезон не может существовать долго, самая продолжительная жизнь — микросекунды — у легкого пи-мезона (пиона), который долетает до нас в качестве одной из составляющих космических лучей и распадается на мюон и нейтрино. Всего существует шесть разновидностей (или так называемых ароматов) кварков. Сегодня наибольший интерес для изучения представляют собой мезоны, содержащие тяжелые кварки, такие как charm (очарованный) и beauty (красивый, прелестный). Если собрать мезон из тяжелых кварка и соответствующего ему антикварка, получится кварконий. В 1970-е годы, когда ученые впервые обнаружили кварконий, стало понятно, что это очень удобная система для изучения сильного взаимодействия. Хотя последнее известно уже много десятилетий, у физиков по-прежнему отсутствует хорошая математическая модель для его количественного описания. Сразу же после открытия кваркония началось активное развитие теоретических моделей, и к концу XX века казалось, что физики научились хорошо описывать и понимать состояния кваркония. Однако в 2003 году случилось неожиданное открытие. В эксперименте BELLE на японском ускорителе KEKB в г. Цукубе (в котором работает большая часть нашей группы, выполняющей грант РНФ) наши коллеги из Кореи и США открыли новую частицу Х(3872) (в названии отражена ее масса, превышающая массу протона в 4 раза). Хотя Х(3872) казалась очень похожей на кварконий, она абсолютно не вписывалась в предсказания известных моделей.

— Да, затем последовало подтверждение факта существования этой частицы в других экспериментах, и ученые начали интенсивно изучать свойства Х(3872). В результате этих исследований стало ясно, что описать новую частицу в рамках существующих теоретических моделей не удается. Прошло 13 лет с момента открытия, но мы до сих пор до конца не можем объяснить свойства Х(3872). Более того, за эти годы, в том числе и при участии российских ученых из нашего проекта, были открыты десятки новых кваркониеподобных состояний. И хотя мы сегодня не сомневаемся в их существовании, природа этих экзотических состояний остается загадкой!

— Мы присоединились к эксперименту BELLE с момента его запуска в 1999 году и активно работали, пока набирались данные. Сейчас, когда эксперимент BELLE остановлен и идет модернизация японского ускорителя и детектора, собранная информация продолжает обрабатываться. Через два года мы начнем получать уже новые данные, объем которых существенно возрастет. Сегодня мы ездим в Японию не очень часто, в основном работаем в России — обрабатываем данные, общаемся с коллегами по скайпу, отсылаем им наши результаты в виде статей. Наша страна представлена в эксперименте BELLE несколькими научными группами. Самым первым из российских институтов в коллаборацию BELLE вступил новосибирский Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера. Его специалисты внесли значительный вклад в создание детектора и ускорителя — у них потрясающий опыт в ускорительной технике, и их очень ценят во всем мире. Помимо ИЯФ СО РАН от России в коллаборацию входят НГУ, МИФИ, МФТИ, ФИАН, ИФВЭ. Мы (москвичи) интенсивно работаем над модернизацией детектора и занимаемся анализом данных. Могу добавить, что с нами работают студенты и аспиранты из МИФИ (где я являюсь профессором), в частности, в рамках гранта РНФ одна аспирантка завершает интересное исследование, результаты которого мы надеемся вскоре опубликовать.

— Кварконий по определению должен быть нейтральным, его электрический заряд равен нулю. Это относится к частицам, собранным как из очарованных кварка и антикварка, так и из прелестных кварка и антикварка. Мои коллеги открыли новые частицы, похожие на кварконий, но являющиеся заряженными. Видимо, в них имеется какая-то примесь кваркония, но присутствует и лишняя легкая пара кварк — антикварк. Это довольно неожиданно, ведь с момента открытия кварков считалось, что частицы материи могут состоять либо из трех кварков (таковы протон и нейтрон), либо из пары кварк — антикварк (мезон).

— Нет, физики до сих пор не понимают, почему окружающая нас природа устроена таким образом, что кварки собираются либо тройками, либо парами. Причем в паре обязательно должны быть кварк с антикварком, а в тройке — либо три кварка, либо три антикварка. Обнаруженные заряженные кваркониеподобные состояния, очевидно, не вписываются в эту модель, и сейчас самый широко обсуждаемый вопрос — а почему, собственно, сильное взаимодействие не может позволить себе объединять большее число кварков? Если наши открытия покажут, что может (четыре, а похоже, бывает и пять), это заставит пересмотреть теорию сильного взаимодействия.

— Да, мы объединились, и это весьма продуктивно. Мы активно обмениваемся идеями. Теоретики подсказывают, на какие процессы стоит обратить внимание, а мы, экспериментаторы, в свою очередь, предлагаем способы, как объяснить новые явления.

— Теоретики, как правило, готовы к ответу быстрее — уже через месяц или даже неделю. Но им в чем-то проще, поскольку они свои идеи представляют в виде математических формул, расчетов. У нас же с момента возникновения идеи до того, как можно что-то опубликовать, проходит как минимум год. Мы работаем в очень крупной научной коллаборации (в нее входят свыше 400 физиков из разных стран), и она должна действовать слаженно и требовать от тех, кто делает анализ, большой аккуратности. Поэтому, прежде чем что-то может быть опубликовано, проводится большое количество проверок. К тому же экспериментатору приходится по ходу дела сталкиваться с множеством задачек и головоломок, при этом не имея заранее заготовленных способов их решения.

— Его результатом будут, в первую очередь, наши статьи. Понять до конца динамику сильного взаимодействия ученые пока так и не смогли, хотя над этой задачей бьются очень умные люди во всем мире. И было бы самонадеянно рассчитывать, что наша небольшая группа за три года разрешит столь непростую проблему. Благодаря гранту мы, несомненно, продвинемся в этом направлении — главным образом, поскольку нам удалось создать симбиоз из теоретиков и экспериментаторов и работать более интенсивно.

— Наша задача — получить фундаментальные знания о сильном взаимодействии, природа которого является еще одним недостающим звеном в понимании структуры материи. У нас есть фундаментальная теория, но нет математического аппарата, который позволил бы, опираясь на фундаментальную модель, что-то посчитать, предсказать. Про бозон Хиггса следует помнить, что его существование было предсказано почти 50 лет назад. Никто не сомневался, что он будет найден. Вернее, был шанс, что его не найдут, но тогда отсутствие бозона Хиггса стало бы великим открытием, полностью переворачивающим наши представления о мироздании. Обнаружение бозона Хиггса — важное, но ожидаемое открытие, в то время как существование экзотических состояний кваркония оказалось совершенной неожиданностью. Это те из случайных открытий, над объяснением которых ученые бьются более десятка лет, но пока безуспешно.

— С экспериментальной точки зрения мы смотримся прекрасно, поскольку именно наша коллаборация открыла не только первое, но и большую часть других кваркониеподобных состояний. Я бы сказал, что наш эксперимент — несомненный лидер в этой области. Кстати, сейчас этой проблемой физики активно занимаются на Большом адронном коллайдере, и там уже подтверждены основные наши результаты. Как вы, вероятно, знаете, в прошлом году ЦЕРН объявил о существовании так называемого пентакварка, состоящего из пяти кварков. Это исключительно интересное открытие пока тоже не может найти объяснения. 

Наши теоретики также высочайшего уровня, это авторитетные ученые с мировыми именами. По тематике кваркония проводятся специальные конференции, на которые съезжаются ученые, с большим энтузиазмом обсуждающие актуальные вопросы. Наша группа активно участвует в таких форумах. В частности, недавно мы выступали с докладами на конференции по структуре сильновзаимодействующих частиц в Греции, а незадолго до этого мои коллеги представляли наши результаты на конференции, посвященной кварконию, в США. Не вызывает сомнений, что мы занимаемся исключительно важным делом, ведь данная экспериментальная тематика актуальна и привлекает ведущих специалистов в нашей стране и за рубежом.