“Це найпереконливіші докази на сьогодні, що частинки, домінуючими компонентами яких є ґлюбольони, можуть існувати в природі”.
Фізики, що працюють з Бекінгемським спектрометром III у Китаї, знайшли нові докази існування екзотичних частинок, відомих як ґлюбольони. Джерело: BES III Collaboration Фізики, що працюють з Бекінгемським спектрометром III у Китаї, знайшли нові докази існування екзотичних частинок, відомих як ґлюбольони. Джерело: BES III Collaboration
Фізики в рамках експерименту Beijing Spectrometer III (BES III) виявили переконливі нові докази існування так званих ґлюбольонів — невловимих складених частинок, що складаються виключно з ґлюонів і передбачені квантовою теорією. Результати з’явилися в препринті, опублікованому на arXiv минулого місяця, а також були представлені минулого тижня на Міжнародній конференції з фізики високих енергій (ICHEP).
Усі речовини навколо нас складаються з кварків, які утримуються разом ґлюонами (носіями сильної ядерної взаємодії), утворюючи протони й нейтрони, що формують ядро кожного атома. Бозон Гіґґса, відкритий у 2012 році після десятиліть пошуків, широко рекламувався як остання відсутня деталь Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Однак залишається багато невирішених питань, зокрема, чи справді існують ґлюбольони. Вони мали б існувати, якщо Стандартна модель правильна; це пряме передбачення квантової хромодинаміки, тобто теорії сильної ядерної взаємодії. Мало б бути навіть кілька видів ґлюбольонів.
Як писав Метью Френсіс для Ars у 2015 році:
Як і бозон Гіґґса, ґлюбольони є однією з причин, чому матерія має масу. Бозон Гіґґса — це прояв «поля Гіґґса», яке присутнє у всьому Всесвіті. Кварки, електрони та інші фундаментальні частинки були б позбавлені маси в космосі без Гіґґса, але коли вони взаємодіють із цим полем, вони набувають маси. Натомість більша частина маси протонів і нейтронів походить не від кварків; вона походить від «клею», який їх утримує.
Ґлюони є причиною цього «клею» (недарма їх назвали «ґлю-они»). Хоча вони не мають маси, енергія, що витрачається на зв’язування всього всередині протона, величезна, і значна частина цієї енергії перетворюється на масу згідно з E=mc². Без ґлюонів протони б не існували, не кажучи вже про те, щоб бути такими масивними. Але є й інший побічний ефект: ґлюони склеюються між собою, а не лише з кварками. Це означає, що можна було б побудувати частинку лише з ґлюонів, без потреби в кварках — це і є ґлюбольон.
У зоопарку субатомних частинок існує запаморочлива кількість різноманітних частинок. Особливо актуальним для пошуку ґлюбольонів є так звана J/ψ-частинка, відкрита в 1974 році, — мезон, що складається з одного чарівного кварка та одного чарівного антикварка. Коли ці частинки розпадаються, вони утворюють багато ґлюонів та складених частинок, відомих як адрони. Тому фізики давно вважали це найкращим експериментальним режимом для пошуку сигнатур ґлюбольонів. За словами астрофізика Ітана Сігела, щоб частинка вважалася потенційним ґлюбольоном, вона повинна мати нульовий спін, нульовий електричний заряд та парність, яка змінюється при інверсії, серед інших властивостей.
Великі кульки клею
Експеримент BES III — це колайдер електрон-позитронних пар, спеціально розроблений для вивчення J/ψ-частинок на наявність характерних сигнатур ґлюбольонів. Оновлений колайдер почав збирати дані у 2008 році і протягом року записав понад 226 мільйонів подій. Одним із найсильніших кандидатів на найлегший стан ґлюбольона є частинка X(2370), відкрита в 2011 році на BES III. Як випливає з назви, її маса спочатку була виміряна як 2,370 ГеВ/c², що трохи менше за 2,395 ГеВ/c², передбачених теорією ґраткової КХД.
До 2024 року кількість записаних подій перевищила 10 мільярдів J/ψ-частинок. Це статистично збільшило ймовірність виявлення експериментом рідкісних подій та екзотичних станів, таких як XYZ-мезони та тетракварки, а також великої кількості частинок X(2370). Таким чином, стало можливим точніше, ніж будь-коли раніше, виміряти властивості останньої.
Фізики BES III отримали прогнозовану масу 2,395 ГеВ/c², що є вражаючою відповідністю між експериментом і теоретичними передбаченнями для ґлюбольона. Його спін і парність також відповідали КХД. Однак цього було ще недостатньо, щоб однозначно оголосити про відкриття першого ґлюбольона. Але це були найпереконливіші докази існування ґлюбольонів до цього моменту.
Останні результати розглядалися на кількох раніше невивчених режимах розпаду X(2370). Аналіз показав, що X(2370) є «синглетом за ароматом», тобто він не пов’язаний з певним ароматом кварка, таким як верхній, нижній чи дивний. Це важлива експериментальна підказка на підтримку гіпотези про те, що це частинка, яка переважно складається з ґлюонів. (Співпраця оцінює вміст ґлюонів приблизно в 90%). Це означає, що X(2370) відповідає трьом основним передбаченим властивостям ґлюбольона, що, на думку команди BES III, є повним ланцюжком доказів.
«Це експериментальний тріумф», — сказав Колін Морнінгстар, фізик-ядерник з Університету Карнеґі-Меллона, який не брав участі в дослідженні, для Science. «Це найпереконливіші докази на сьогодні, що частинки, домінуючими компонентами яких є ґлюбольони, можуть існувати в природі». Наступним кроком є незалежна перевірка результатів іншими групами — можливо, на запропонованому Супер Фасиліті Тау-Чарму (STCF) у Китаї або на Електрон-Іонному Колайдері, що будується в Брукхейвенській національній лабораторії в США. BES III наразі є єдиним пристроєм, присвяченим виключно полюванню на ґлюони, тому незалежне підтвердження може зайняти деякий час.
arXiv, 2026. DOI: 10.48550/arXiv.2607.20366 (Про DOI).
Дженніфер Уеллет Старший автор Дженніфер Уеллет Старший автор Дженніфер — старший автор Ars Technica, яка зосереджується на перетині науки та культури, охоплюючи все: від фізики та суміжних міждисциплінарних тем до її улюблених фільмів та серіалів. Дженніфер живе в Балтиморі зі своїм чоловіком, фізиком Шоном М. Керроллом, та їхніми двома котами, Аріель і Калібаном. 48 Коментарів
Джерело новини: arstechnica.com