Курс фізики в загальноосвітній школі дає настільки ж струнку, наскільки і неповну картину мікросвіту. Кожен цікавиться природними науками людина рано чи пізно стикався з цим шоком — виявляється, протонами, нейтронами, електронами, фотонами і нейтрино все не обмежується. Є ще кварки, лептони, бозони, а «звичні» нам субатомні частинки взагалі являють собою «суп» з набагато дрібніших елементів. Ну, крім електронів і фотонів-з ними все, як і було, вони неподільні.

Майже вся матерія навколо нас складається з баріонів, тобто важких частинок: стабільних нейтронів і протонів. Вони, в свою чергу, влаштовані порівняно просто-по три кварка в кожному. Існують ще нестабільні мезони, складені з пари кварк-антикварк, але в рамках цієї історії вони не так важливі. Якщо вже зовсім заглиблюватися, то ця картина все одно не повна, оскільки щодо протона є дещо інша інформація. У будь-якому випадку, щодо ролі кварків фізики давно визначилися, присудивши їм звання фундаментальних «цеглинок» світобудови, з яких «набираються» всі великі частинки. І вже це точно доведено з достатнім ступенем достовірності (а ось чим вони самі утворені — питання довгих і поки ніяк не наближаються до вирішення спорів).

Проблема в наступному. Немає таких законів природи, які забороняли б кваркам збиратися не по два або три, а у великих кількостях. Подібні екзотичні частинки були передбачені відразу декількома фізиками-теоретиками ще в 1960-і роки. Однак, через те, що просунутими засобами фільтрації шуму на експериментальних установках вчені до недавнього часу не мали, виявити їх не виходило. Ситуація кардинально змінилася в xxi столітті на тлі розвитку комп’ютерної техніки. І вже з 2003 року відкриття посипалися, як з рогу достатку: на сьогоднішній день відомо кілька десятків тетракварков (чотири кварка) і пара пентакварков (п’ять кварків).

Всі ці екзотичні частинки об’єднує відразу кілька загальних властивостей. По-перше, вони вкрай нестабільні і час їх життя обчислюється зептосекундами (секстільйонними частками секунди). По-друге, вони хоч і не суперечать стандартній моделі, але при цьому в неї не вписуються. Іншими словами, їх роль абсолютно незрозуміла, а існування пентакварков в природі і зовсім під питанням (їх отримували тільки навмисно в ході спеціальних експериментів). Але нещодавно виявлений двічі відкрито зачарований тетракварк навіть на цьому незвичайному тлі примудрився виділитися.

Найекзотичніша з усіх екзотичних частинок

Про відкриття незвичайного тетракварка на конференції з фізики високих енергій європейського фізичного товариства (eps-hep) повідомили фахівці, що працюють з експериментом церн lhcb. Це найменший з головних детекторів великого адронного коллайдера (бак). Частку виявили в архівних даних 2011-18 років, коли просівали їх в ході рутинного пошуку «пропущених» відкриттів. На жаль, якщо якесь явище заздалегідь не передбачене теоретиками (як було з бозоном хіггса і планетою нептун), для його виявлення потрібна обробка величезного обсягу інформації буквально «на удачу». Раніше таким же методом вже були знайдені кілька десятків різних частинок.

енергетичний пік на показаннях детектора, відповідний tcc+ / © cern

Відсів шуму з записів про мільйони проведених на баку зіткнень частинок дозволив з великою впевненістю ідентифікувати мезон tcc+, той самий двічі відкрито зачарований тетракварк. Від всіх інших подібних частинок він разюче відрізняється складом. У ньому з’єднані два важких, майже рівних масі протона, c-кварка (зачарованих), а також легкі u-антикварк (верхній) і d-антикварк (нижній). Епітети в дужках означають» аромати ” частинок, тобто певні квантові числа (параметри), що характеризують їх фундаментальні властивості.

Дивина тут в наступному: ніколи раніше не спостерігалися частинки з відкритим чарівністю, вважалося, що c-кварк повинен врівноважуватися c-антикварком. Але tcc + зламав не тільки цей шаблон, він ще й живе неймовірно довго-одиниці аттосекунд, що на два-три порядки вище, ніж час розпаду інших екзотичних адронів. Відмінна новина полягає в тому, що маючи на руках дві з гаком сотні подій-кандидатів на виявлення tcc+ співробітники церн описали чіткі критерії, за якими його можна засікти. Частинки, на які розпадається цей тетракварк порівняно легко детектуються, тому підтвердити відкриття у команд, що працюють на інших прискорювачах не складе труднощів. До того ж маса tcc+ досить низька, щоб він утворювався на установках з набагато меншими робочими енергіями, ніж бак.

Прорив або революція?

Сам факт існування tcc + ставить перед фізиками ще одне питання – а що, якщо його структура не унікальна і є «шаблоном» для інших подібних частинок? тоді цілком реально існування мезона не з двома зачарованими кварками, а з одним або парою ще більш важких b-кварків (чарівних). Деякі з таких частинок абсолютно ламають картину світу, оскільки вони повинні «жити» ще мінімум на порядок-два довше. Це означає, що більш важкі «родичі» tcc+ зможуть з більшою ймовірністю взаємодіяти з іншими оточуючими частинками. Таким чином, у них може бути своя роль у всесвіті не тільки в якості побічних продуктів субатомних взаємодій.

Крім усього вищеописаного tcc+ може похвалитися цілим спектром особливостей, які науково-популярною мовою пояснити архіскладно. Серед них, наприклад, є підозріла близькість маси двічі відкрито зачарованого тетракварка і пари d-мезонів. Додатково до цього прояснити внутрішню будову tcc+ в належній мірі не вдалося. Незрозуміло, чи являє він собою «молекулу» з двох мезонів, тобто пари структур з важкого кварка і легкого антикварка, або нагадує атом, де важкі кварки розташувалися компактно в центрі і оточені хмарою суперпозицій антикварків.

Одне ясно точно — новина про tcc+ викличе новий виток досліджень фізиків і пошук інших схожих частинок. Його виявлення не можна назвати зовсім вже фантастичною сенсацією рівня відкриття бозона хіггса, але ситуація все одно інтригуюча і з далекосяжними наслідками. Як мінімум, ця подія веско і досить прямо натякає на думку, про яку вчені давно замислювалися: стандартна модель ненабагато більш повна, ніж квантово-механічна модель атома. Вона працює, але тільки на своєму рівні, а реальність набагато складніше, так що фізикам ще копати і копати. Ну а нам-стежити за прийдешніми великими революціями в науці, які віщують ось такі прориви.