«Це найпереконливіші докази існування частинок, значною мірою складаються з ґлюболів».
Фізики з Бекінського спектрометра III у Китаї знайшли нові докази існування екзотичних частинок, відомих як ґлюболи.
Фізики в рамках експерименту «Бекінський спектрометр III» (BES III) виявили переконливі нові докази існування так званих ґлюболів — невловимих композитних частинок, що повністю складаються з ґлюонів, існування яких передбачає квантова теорія. Результати були опубліковані минулого місяця у препринті на arXiv, а також представлені минулого тижня на Міжнародній конференції з фізики високих енергій (ICHEP).
Усе, що нас оточує, складається з кварків, які утримуються разом ґлюонами (переносниками сильної ядерної взаємодії) з утворенням протонів та нейтронів, що формують ядро кожного атома. Бозон Гіґґса, відкритий у 2012 році після десятиліть пошуків, вважався останньою відсутньою ланкою Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Проте залишається багато невирішених питань, зокрема, чи справді існують ґлюболи. Вони мали б існувати, якщо Стандартна модель є правильною, адже це прямий наслідок квантової хромодинаміки, тобто теорії сильної ядерної взаємодії. Передбачається існування навіть кількох видів ґлюболів.
Як писав Метью Френсіс для Ars у 2015 році:
Подібно до бозона Гіґґса, ґлюболи є причиною маси матерії. Бозон Гіґґса є проявом «поля Гіґґса», яке присутнє у всьому Всесвіті. Кварки, електрони та інші фундаментальні частинки були б позбавлені маси у Всесвіті без Гіґґса, 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.
Ґлюони є причиною цього «клею» (недарма їх називають «ґлю-онами»). Хоча вони не мають маси, енергія, що витрачається на зв’язування всього всередині протона, є величезною, і значна частина цієї енергії перетворюється на масу завдяки рівнянню E=mc². Без ґлюонів протони б не існували, не кажучи вже про їхню нинішню масу. Але є ще один побічний ефект: ґлюони злипаються один з одним, а не лише з кварками. Це означає, що можна було б створити частинку тільки з ґлюонів, без кварків — це і є ґлюбол.
У зоопарку субатомних частинок існує запаморочлива кількість різновидів. Особливо релевантною для пошуку ґлюболів 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 ґлюонів та композитних частинок, відомих як адрони. Тому фізики вже давно вважали, що це найкращий експериментальний режим для пошуку ознак ґлюболів. За словами астрофізика Ітана Сіґела, щоб частинка вважалася можливим ґлюболом, вона повинна мати нульовий спін, відсутність електричного заряду та непарну парність, серед інших властивостей.
Великі ґлю-кульки
Credit: University of Glasgow/BNL І тут на сцену виходить експеримент BES III — колайдер електрон-позитрон, спеціально розроблений для вивчення J/ψ-частинок на наявність характерних ознак ґлюболів. Оновлений колайдер почав збирати дані у 2008 році, і протягом року зареєстрував понад 226 мільйонів подій. Одним із найсильніших кандидатів на найлегший стан ґлюбола є частинка X(2370), відкрита у 2011 році на BES III. Як випливає з назви, її маса спочатку була виміряна як 2,370 ГеВ/c², що трохи менше від 2,395 ГеВ/c², передбачених теорією ґраткової КХД.
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), що дозволило точніше, ніж будь-коли раніше, виміряти властивості останніх.
Фізики BES III отримали передбачувану масу 2,395 ГеВ/c², що демонструє вражаючу відповідність між експериментом та теоретичними прогнозами для ґлюбола. Його спін та парність також відповідали КХД. Однак цього було все ще недостатньо, щоб однозначно оголосити про відкриття першого ґлюбола. Але це були найсильніші докази існування ґлюболів до цього моменту.
Останні результати аналізували кілька раніше невиявлених режимів розпаду X(2370). Аналіз показав, що X(2370) є «флейвор-синглетом», тобто він не пов’язаний з певним ароматом кварка, таким як верхній, нижній або дивний. Це життєво важлива експериментальна підказка, що підтверджує, що це частинка, яка складається переважно з ґлюонів (за оцінками співпраці, приблизно на 90% складається з ґлюонів). Це означає, що X(2370) відповідає трьом основним передбаченим властивостям ґлюбола, що, на думку команди BES III, становить повний ланцюжок доказів.
«Це експериментальний тріумф», — сказав Колін Морнінгстар, фізик-ядерник з Університету Карнегі-Меллона, який не брав участі в дослідженні, у коментарі для Science. «Це найпереконливіші докази існування частинок, значною мірою складаються з ґлюболів». Наступним кроком є незалежна перевірка результатів іншими групами — можливо, у запропонованому Супер Тау-Чарм Фесиліті (STCF) у Китаї або в Електрон-Іонному Колайдері, що будується в Брукхейвенській національній лабораторії в США. BES III наразі є єдиною машиною, присвяченою виключно полюванню на ґлюони, тому незалежне підтвердження може зайняти деякий час.
arXiv, 2026. DOI: 10.48550/arXiv.2607.20366 (Про DOI).
Інформація підготовлена на основі матеріалів: arstechnica.com