«Це найсильніші докази на сьогодні, що частинки, значною мірою складаються з ґлюболів, можуть існувати в природі».
Фізики, які працюють на Бейджінському спектрометрі III (BES III) в Китаї, знайшли нові докази існування екзотичних частинок, відомих як ґлюболи.
Фізики експерименту Beijing Spectrometer III (BES III) виявили переконливі нові докази існування так званих ґлюболів — невловних композитних частинок, що складаються виключно з ґлюонів і передбачені квантовою теорією. Результати з’явилися в препринті, розміщеному 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 ґлюонами (носіями сильної ядерної взаємодії) і утворюють протони та нейтрони, що становлять ядро кожного атома. Бозон Хіґґса, відкритий у 2012 році після десятиліть пошуків, вважався останньою відсутньою ланкою Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Однак залишається багато невирішених питань, зокрема, чи справді існують ґлюболи. Вони мали б існувати, якщо Стандартна модель правильна; це пряме передбачення квантової хромодинаміки, тобто теорії сильної ядерної взаємодії. Навіть має існувати кілька видів ґлюболів.
Як писав Метью Френсіс для Ars у 2015 році:
Подібно до бозона Хіґґса, ґлюболи є однією з причин, чому матерія має масу. Бозон Хіґґса — це прояв «поля Хіґґса», яке присутнє в усьому Всесвіті. Кварки, електрони та інші фундаментальні частинки були б позбавлені маси в космосі без Хіґґса, але коли вони взаємодіють із цим полем, вони набувають маси. Натомість більшість маси протонів і нейтронів походить не від кварків; вона походить від «клею», що утримує їх разом.
Ґлюони є причиною цього «клею» (адже вони й називаються «ґлю-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 завдяки E=mc². Без ґлюонів протони б не існували, не кажучи вже про їхню значну масу. Але є й інший побічний ефект: ґлюони склеюються між собою, а не тільки з кварками. Це означає, що можна створити частинку виключно з ґлюонів, без кварків — це і є ґлюбол.
У зоопарку субатомних частинок існує запаморочлива кількість елементів. Особливе значення для пошуку ґлюболів має 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 утворюють багато ґлюонів та композитних частинок, відомих як адрони. Тому фізики давно вважали це найкращим експериментальним режимом для пошуку ознак ґлюболів. За словами астрофізика Ітана Сігела, щоб частинка вважалася можливим ґлюболом, вона повинна мати нульовий спін, нульовий електричний заряд та непарну парність, серед інших властивостей.
Чудові ґлюбові кулі
Експеримент BES III — це колайдер електронів і позитронів, спеціально розроблений для вивчення J/ψ-частинок на наявність характерних ознак ґлюболів. Оновлений колайдер почав збір даних у 2008 році, і протягом року зареєстрував понад 226 мільйонів подій. Одним із найсильніших кандидатів на найлегший стан ґлюбола є X(2370), відкритий у 2011 році на BES III. Як випливає з назви, початкова маса була виміряна як 2,370 ГеВ/c², що трохи менше за 2,395 ГеВ/c², передбачених теорією ґраткової КХД.
До 2024 року кількість зареєстрованих подій перевищила 10 мільярдів J/ψ-частинок. Це статистично підвищило ймовірність реєстрації 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 їхні властивості.
Фізики BES III отримали прогнозовану масу 2,395 ГеВ/c², що свідчить про вражаючу відповідність між експериментом та теоретичними передбаченнями для ґлюбола. Його спін і парність також узгоджувалися з КХД. Цього все ще було недостатньо, щоб однозначно оголосити про відкриття першого ґлюбола. Але це були найсильніші докази існування ґлюболів до цього часу.
Останні результати стосувалися кількох раніше невідомих режимів розпаду X(2370). Аналіз показав, що X(2370) є «флейвор-синглетом», тобто він не пов’язаний з конкретним типом кварка, як-от верхній, нижній чи дивний. Це важливий експериментальний доказ на підтримку того, що це частинка, яка переважно складається з ґлюонів. (Колаборація оцінює вміст ґлюонів приблизно в 90%). Це означає, що X(2370) відповідає трьом основним передбаченим властивостям ґлюбола, що, на думку команди BES III, є повним ланцюжком доказів.
«Це експериментальний тріумф, — сказав Колін Морнінгстар, фізик-ядерник з Університету Карнегі-Меллона, який не брав участі в дослідженні, видання Science. — Це найсильніші докази на сьогодні, що частинки, значною мірою складаються з ґлюболів, можуть існувати в природі». Наступним кроком буде незалежна перевірка результатів іншими групами — можливо, у запропонованому Супер Фасилітеті Тау-Чарм (STCF) у Китаї або в 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.
Дізнатися більше на: arstechnica.com