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.
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.
