Изучение адронной спектроскопии

Кварконии и тяжелые адроны

Кварковая модель адронов очень богата. Можно взять произвольную кварковую комбинацию и найти для нее теоретические предсказания массы, каналов распада и других свойств. Однако далеко не всегда эти предсказания можно сравнить с экспериментальными данными, поскольку не все адроны еще открыты и тем более изучены. В особенности это касается тяжелых адронов и дополнительных частиц в спектрах кваркониев.

Задачи LHC включают обнаружение новых состояний кваркониев и тяжелых адронов, в том числе с несколькими c- или b-кварками, установление их квантовых чисел (заряда, спина, четности) и измерение их масс, выяснение цепочек их распадов, поиск возбужденных адронов, которые могут проявляться на промежуточных этапах распадов. Такой поиск будет иногда включать анализ довольно сложных цепочек распадов адронов (рис. 1). Всё это будет в дальнейшем сравниваться с теоретическими предсказаниями и должно привести к лучшему пониманию того, как кварки взаимодействуют друг с другом.

Рис. 1. Цепочка последовательных распадов, инициированных рождением тяжелого бариона Ξ_b^*0 в месте столкновения протонов (PV, «первичная вершина»). Изображение с сайта cms.web.cern.ch

Экзотические адроны

К настоящему времени открыто уже несколько сотен адронов с самыми разными свойствами. Однако до недавних пор все они укладывались в очень простую классификационную схему: все мезоны состоят из кварка и антикварка (q-анти-q), а все барионы состоят из трех кварков (qqq). В принципе, теория сильных взаимодействий (а точнее, наивная кварковая модель) не мешает образовывать и более сложные кварк-антикварковые комбинации. Давно велись поиски тетракварков (qq-анти-qq) и пентакварков (qqqq-анти-q), но почему-то их не было видно.

Ситуация изменилась лишь в 2003 году, когда коллаборация Belle открыла мезон X(3872), «первую ласточку» в будущем семействе экзотических адронов. В последующие годы были открыты и другие мезоны, и про многие из них уже точно можно сказать, что они не вписываются в простую классификационную схему (некоторые подробности см. в недавнем обзоре). Такие мезоны обычно называют буквами X, Y или Z, причем у разных групп обозначения могут отличаться (например, X(4140) и Y(4140) — это одно и то же).

Из чего именно состоит экзотический мезон, не вполне ясно. С одной стороны, его можно описать минимально расширенной кваркой структурой. Но тут возможны варианты: либо это настоящий тетракварк (два кварка и два антикварка, взаимодействующие друг с другом), либо «адронная молекула» (то есть два мезона, связанных друг с другом), см. рис. 2. Вопрос о том, какой из этих вариантов ближе к реальности, остается открытым.

Рис. 2. Два возможных варианта устройства экзотического мезона X(3872). Изображение с сайта cms.web.cern.ch

Наконец, надежно подтвержденных экзотических барионов, в частности пентакварков, пока не видно. Несколько лет назад эта тема была предметом сенсационных открытий и закрытий и бурных споров. Однако после того, как большинство экспериментов перепроверили свои результаты на большей статистике и не увидели сигнала от пентакварков, эта экзотическая частица опять вернулась в категорию желаемого, а не реального.

Задачами LHC в физике экзотических адронов являются подтверждение уже известных ранее частиц, измерение их свойств, а также поиск экзотических адронов с тяжелыми кварками. Поскольку существует много конкурирующих моделей описания экзотических частиц, новые открытия здесь должны привести к дополнительнюму пониманию того, как работает «кварковый конструктор».

Дополнительные ссылки:

• J.-M. Richard. An introduction to the quark model // е-принт arXiv:1205.4326 [hep-ph].
• S. Godfrey, S. L. Olsen. The Exotic XYZ Charmonium-like Mesons // е-принт arXiv:0801.3867 [hep-ph].
• G. T. Bodwin et al. Quarkonium at the Frontiers of High Energy Physics: A Snowmass White Paper // е-принт arXiv:1307.7425 [hep-ph].