“Це найпереконливіший доказ на сьогодні, що частинки, у яких домінує клейбольонова складова, можуть існувати в природі”.
Фізики з установки Beijing Spectrometer III (BES III) в Китаї виявили нові переконливі докази існування так званих клейболів — невловимих складених частинок, що складаються виключно з глюонів та 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).
Усе, що нас оточує, складається з кварків, які утримуються разом глюонами (носіями сильної ядерної взаємодії), утворюючи протони та нейтрони, котрі є ядром кожного атома. Бозон Хіггса, відкритий у 2012 році після десятиліть пошуків, вважався останньою відсутньою деталлю Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Але залишається ще багато невирішених питань, зокрема, чи справді існують клейболи. Згідно зі Стандартною моделлю, вони мають існувати; це пряме передбачення квантової хромодинаміки, тобто теорії сильної ядерної взаємодії. Навіть має існувати кілька видів клейболів.
Як писав Метью Френсіс для Ars у 2015 році:
Подібно до бозона Хіггса, клейболи є однією з причин, чому матерія має масу. Бозон Хіггса є проявом «поля Хіггса», яке присутнє по всьому Всесвіту. 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 надходить не від кварків, а від «клею», що утримує їх разом.
Глюони є причиною цього клею (звідси й назва — «глю-они»). Хоча вони не мають маси, енергія, що витрачається на зв’язування всього всередині протона, є величезною, і значна частина цієї енергії перетворюється на масу згідно з E=mc². Без глюонів протони не існували б, а тим більше не мали б такої маси. Але є й інший побічний ефект: глюони зчіплюються між собою, а не лише з кварками. Це означає, що можна створити частинку виключно з глюонів, без необхідності кварків — це і є клейбол.
У зоопарку субатомних частинок існує запаморочлива кількість різноманітних частинок. Особливо важливим для пошуку клейболів є так звана J/ψ-частинка, відкрита у 1974 році — мезон, що складається з одного чарівного кварка та одного чарівного антикварка. Коли ці частинки розпадаються, вони виробляють багато глюонів та складених 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 можливим клейболом, вона повинна мати нульовий спін, нульовий електричний заряд і парність, що відрізняється від парності її внутрішнього стану, серед інших властивостей.
Великі кульки з клею
Саме для цього й була створена експериментальна установка BES III — колайдер електрон-позитронних пар, спеціально розроблений для вивчення J/ψ-частинок на предмет наявності сигнатур клейболів. Оновлений колайдер почав збір даних у 2008 році та протягом року зареєстрував понад 226 мільйонів подій. Одним із найсильніших кандидатів на найлегший стан клейбола 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 від 2,395 ГеВ/c², передбачених теорією ґратчастої КХД.
До 2024 року кількість зареєстрованих подій перевищила 10 мільярдів J/ψ-частинок. Це збільшило статистичну 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 останніх.
Фізики BES III визначили прогнозовану масу 2,395 ГеВ/c², що демонструє врахувальну згоду між експериментом і теоретичними прогнозами для клейбола. Його спін і парність також відповідали КХД. Однак цього ще було недостатньо для однозначного проголошення відкриття першого клейбола. Але це був найсильніший доказ існування клейболів — до теперішнього часу.
У цих останніх результатах досліджено кілька раніше незвітних режимів розпаду X(2370). Аналіз показав, що X(2370) є «флейвор-синглетом», тобто він не пов’язаний з конкретним типом кварка, таким як верхній, нижній чи дивний. Це важлива експериментальна підказка на підтримку того, що це частинка, яка складається переважно з глюонів. (За оцінками колаборації, вона складається приблизно на 90% з глюонів.) Це означає, що X(2370) відповідає трьом основним передбаченим властивостям клейбола, що команда BES III вважає повним ланцюжком доказів.
«Це експериментальний тріумф, — сказав Колін Морнінгстар, фізик-теоретик з Університету Карнегі-Меллона, який не брав участі в дослідженні, для Science. — Це найпереконливіший доказ на сьогодні, що частинки, у яких домінує клейбольонова складова, можуть існувати в природі». Наступним кроком є незалежна перевірка результатів іншими групами — можливо, на запропонованому об’єкті Super Tau-Charm Facility (STCF) у Китаї або на 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
Інформація підготовлена на основі матеріалів: arstechnica.com