«Це найпереконливіші докази на сьогодні, що частинки, де домінує клейбонна складова, можуть існувати в природі».
Фізики з експерименту Beijing Spectrometer III (BES III) в Китаї отримали нові переконливі докази існування екзотичних частинок, відомих як клейболи. Результати з’явилися в попередній публікації на arXiv минулого місяця і були представлені минулого тижня на Міжнародній конференції з фізики високих енергій (ICHEP).
Усі навколишні нас об’єкти складаються з кварків, утримуваних разом глюонами (носіями сильної ядерної взаємодії), які утворюють протони та нейтрони — ядро кожного атома. Бозон Хіггса, відкритий у 2012 році після десятиліть пошуків, вважався останньою відсутньою ланкою Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Однак залишається багато невирішених питань, зокрема, чи існують клейболи насправді. Згідно з правильною Стандартною моделлю, вони мають існувати; це прямий наслідок квантової хромодинаміки, тобто теорії сильної ядерної взаємодії. Крім того, має існувати кілька видів клейболів.
Як писав Меттью Френсіс для Ars у 2015 році:
Подібно до бозона Хіггса, клейболи є однією з причин, чому матерія має масу. Бозон Хіггса — це прояв «поля Хіггса», яке присутнє у Всесвіті. Кварки, електрони та інші фундаментальні частинки були б позбавлені маси в космосі без Хіггса, але коли вони взаємодіють із цим полем, вони набувають маси. Натомість, більша частина маси протонів і нейтронів походить не від кварків, а від «клею», що утримує їх разом.
Глюони є причиною цього «клею» (адже їх так і назвали — «glue-ons», тобто «клей-они»). Хоча вони не мають маси, енергія, що витрачається на зв’язування всього всередині протона, величезна, і значна частина цієї енергії перетворюється на масу відповідно до рівняння E=mc². Без глюонів протони б не існували, не кажучи вже про їхню значну масу. Але є й інший побічний ефект: глюони злипаються між собою, а не лише з кварками. Це означає, що можна побудувати частинку, яка складається лише з глюонів, без кварків — це і є клейбол.
У світі субатомних частинок існує запаморочлива кількість різновидів. Особливо важливим для пошуку клейболів є так звана J/ψ-частинка, відкрита у 1974 році. Це мезон, що складається з одного чарівного кварка та одного чарівного антикварка. Коли ці частинки розпадаються, вони продукують багато глюонів і композитних частинок, відомих як адрони. Тому фізики давно вважали, що це найкращий експериментальний режим для пошуку сигнатур клейболів. За словами астрофізика Ітана Сігела, щоб частинка вважалася потенційним клейболом, вона повинна мати нульовий спін, нульовий електричний заряд і непарну парність, серед інших властивостей.
Великі кулі клею
Експеримент BES III — це колайдер електронів та позитронів, спеціально розроблений для вивчення J/ψ-частинок у пошуках характерних сигнатур клейболів. Оновлений колайдер почав збір даних у 2008 році і за рік зареєстрував понад 226 мільйонів подій. Одним із найсильніших кандидатів на найлегший стан клейболу є частинка X(2370), відкрита у 2011 році на BES III. Як випливає з назви, її маса спочатку становила 2,370 Гев/c², що трохи менше за 2,395 Гев/c², передбачених теорією ґратчастої квантової хромодинаміки.
До 2024 року кількість зареєстрованих подій перевищила 10 мільярдів J/ψ-частинок. Це статистично збільшило ймовірність реєстрації 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 останніх.
Фізики BES III отримали передбачувану масу 2,395 Гев/c², що демонструє вражаючу узгодженість між експериментом та теоретичними прогнозами для клейбола. Його спін і парність також відповідали квантовій хромодинаміці. Однак цього було недостатньо, щоб однозначно оголосити про відкриття першого клейбола. Але це були найсильніші докази існування клейболів на той час — аж до сьогодні.
Останні результати стосуються кількох раніше невідомих режимів розпаду X(2370). Аналіз показав, що X(2370) є «флейвор-синглетом», тобто він не пов’язаний з жодним конкретним ароматом кварка, як-от верхній, нижній чи дивний. Це важлива експериментальна підказка, що підтверджує приналежність цієї частинки до таких, що переважно складаються з глюонів. (За оцінками співпраці, вона складається приблизно з 90% глюонів.) Це означає, що X(2370) відповідає трьом основним прогнозованим властивостям клейбола, що, на думку команди BES III, є повним ланцюгом доказів.
«Це експериментальний тріумф», — сказав Колін Морнінгстар, фізик-ядерник з Університету Карнегі — Меллона, який не брав участі в дослідженні, в інтерв’ю Science. «Це найпереконливіші докази на сьогодні, що частинки, де домінує клейбонна складова, можуть існувати в природі». Наступним кроком є незалежна перевірка результатів іншими групами — можливо, у майбутньому Центрі вивчення тау-чарм-частинок (STCF) у Китаї або в Електрон-іонному колайдері, що будується в Брукхейвенській національній лабораторії в США. BES III наразі є єдиною установкою, присвяченою виключно полюванню на глюони, тому незалежне підтвердження може зайняти деякий час.
arXiv, 2026. DOI: 10.48550/arXiv.2607.20366 (Про DOI).
За матеріалами: arstechnica.com