Новая частица: ну и что же?
Коллаборация BaBaR обнаружила новую частицу -- мезон Ds*(2317), [1].
Частица -- как частица. Но почему-то уже в первую неделю после ее открытия
появилось пять (!) статей теоретиков, в которых свойства этой частицы
подвергаются тщательному изучению. Чем же она так обеспокоила физиков?
Эта частица не очень вписывается в общепризнанную кварк-антикварковую
картину мезонов. А если так, то совершенно непонятно, из чего она тогда
состоит. Недоумение здесь примерно такое, какое испытывал бы химик,
когда он взял бы некоторое вещество, произвел бы
с ним химические реакции, и увидел бы, что оно совершенно не вписывается
ни в одну из известных категорий соединений.
Что такого необычного в Ds*(2317)
частице?
Эта частица была открыта как резонанс в системе
Ds π, а значит, она содержит кварки c и анти-s.
Поскольку основное состояние в (c анти-s) системе, Ds-мезон,
уже известен и имеет массу 1969 МэВ, значит это возбужденное состояние
(c анти-s) системы.
|
Рис.1 Спектр Ds-мезонов. Сплошными черными линиями
показаны наблюдавшиеся в эксперименте частицы, штриховыми прерывистыми линиями -- состояния, предсказанные теоретически в работе [2]. Левый столбец -- s-волновые состояния, правый -- p-волновые состояния. Везде заметно хорошее
согласие теории и эксперимента -- кроме Ds*(2317) мезона, показанного розовым цветом. Горизонтальная штрих-пунктирная линия -- порог рождения D+K системы. Красными стрелками показаны ненаблюдавшиеся радиационные распады. |
Из эксперимента BaBaR следует, что, скорее всего, эта частица
есть p-волновое возбуждение Ds-мезона
(то есть состояние с орбитальным моментом единица) и полным спином нуль
(то есть, орбитальный момент и полный спин кварков вместе складываются в нуль).
Но p-волновые состояния (c анти-s) системе теоретически изучали уже давно,
и для такого состояния была предсказана масса в районе 2480-2490 МэВ, [2],
см. Рисунок. А эксперимент дал массу существенно
ниже этих предсказаний (показана розовым цветом).
Это было во-первых.
Во-вторых, если Ds*(2317) действительно
возбужденное состояние в (c анти-s) системе, то должны наблюдаться
радиационные переходы (то есть, переходы с испусканием фотонов)
в основное состояние -- ровно так же, как это имеет место для возбужденных состояний
атомов (показаны на Рисунке красными стрелками). Таких распадов, ни с одним фотоном, ни с двумя фотонами, не обнаружено.
Итак, проблема заключается в том, чтобы понять, что это за мезон.
Если это кварк-антикварковое состояние, то почему теория
так сильно расходится с экспериментом.
Если же это не кварк-антикварковая пара, то из чего тогда состоит
этот мезон.
Такая постановка вопроса подразумевает, что теоретикам придется попыхтеть,
чтобы хоть как-то описать этот мезон. Не случайно в пресс-релизе
ускорительного центра SLAC, в котором как раз и базируется
коллаборация BaBaR, говорится, что "эта частица заставит теоретиков
вернуться к своим доскам и взять в руки мел". Так вот -- как бы ни так!
Совершенно неожиданно выяснилось, что теоретики могут объяснить что угодно,
в том числе подогнать наблюденный мезон под оба этих варианта!
Что предлагают теоретики
Кварк-антикварк?
Первое желание -- выяснить, а может быть, возможно подправить "модель"
и все же получить это состояние в простой кварк-антикварковой картине?
Это сделано по горячим следам в статье
hep-ph/0305012, [3].
Поскольку мезоны, состоящие из одного тяжелого и одного легкого кварка, очень похожи
на атом водорода (и там, и тут есть тяжелое "ядро" и легкая частица,
которая крутится около него), и потому можно надеяться на то, что спектроскопия
такого мезона может быть хорошо изучена известными из атомной физики методами.
Правда, в отличие от атома водорода, в мезонах есть конфайнмент,
и это явление тоже надо как-то промоделировать. Наиболее простой способ:
ввести дополнительный скалярный потенциал.
В работе рассматривается самая прямолинейная квантовомеханическая
модель такого мезона. Поскольку, как говорилось выше, есть подозрение, что Ds*(2317)-мезон является p-волновым,
то есть, с орбитальным моментом единица, возбуждением (c анти-s) системы,
то в работе рассматривается спектроскопия именно p-волновых состояний.
Общий вывод такой: в принципе, модель можно
подстроить так, чтобы массы p-волновых (c анти-s) мезонов (включая и массу
Ds*(2317)) совпадали с экспериментом,
однако при этом возникают проблемы с ширинами распадов.
Можно, конечно, модель подстраивать и дальше, но авторы замечают,
что количество свободных параметров и так уже неоправдано большое, а нормального
описания все нет. Возможно, это
является указанием на то что, кварк-антикварковая картина не описывает
этот резонанс.
Или -- адронная молекула?
В тот же день в архиве епринтов появилась и другая статья,
hep-ph/0305025, [4].
В ней авторы подробно шаг за шагом разбирают, чем может и чем не может являться
наблюденный резонанс Ds*(2317)
(на самом деле, именно эту статью можно порекомендовать
в качестве первого ознакомления на серьезном уровне
с проблемой Ds*(2317)).
Чистое кварк-антикварковое состояние? Маловероятно. Четырехкварковое состояние?
Вряд ли. Молекула? Может быть! Но какая? Скорее всего D+K, ведь
наблюденный Ds*(2317) мезон лежит
лишь чуть-чуть ниже порога рождения системы свободных D и K мезонов (см. Рисунок)
(а это одно из требований для адронной молекулы). Другим важным аргументом
является малая ширина мезона, и в особенности, слабая связь с фотоном.
В этой работе приводится также подробный список
дальнейших экспериментальных возможностей,
которые могут помочь разобраться с ситуацией, и в частности,
четко различить кварк-антикварковые состояния и молекулы.
Интересно, что в работе hep-ph/0305060, [5],
было дано похожее описание этого резонанса, но только в терминах
молекулы Ds + π. И тоже -- все тип-топ.
Или все-таки кварк-антикварк + еще что-то?
Впрочем, оказывается, молекула -- не единственная возможность.
В работе
hep-ph/0305035, [6],
предлагается следующая идея. Ds*(2317)
все же составлен, в основном, из (c анти-s) пары, но
в этой области масс, (c анти-s) система испытывает сильное смешивание с DK системой, которая, как мы помним живет еще под порогом.
Опыт адронной физики говорит, что в околопороговой области могут
происходить разные "чудеса", связанные с очень быстрым изменением
фаз рассеяния. В результате игры фазовых сдвигов
и возникает наблюдаемый резонанс с такой малой массой.
Авторы отмечают, что это все эффекты взаимодействия на уровне мезонов,
и на кварковом уровне это явление в принципе нельзя увидеть.
Грубо говоря, недосвязанная DK система буквально утащила
Ds*(2317) резонанс к себе под порог!
Идея интересная.
Обнадеживает и то, что авторы не только объясняют наблюдаемый мезон,
но и предсказывают ряд новых. Значит, теорию можно проверять непосредственно в эксперименте.
Есть и другие эффекты, которые могут так сильно испортить
наивную кварк-антикварковую спектроскопию адронов.
Например, если (c анти-s) систему "погрузить" в облако
кваркового конденсата, как это имеет место в киральных теориях.
Получающаяся при этом система проанализирована в работе
hep-ph/0305049, [7],
авторы которой сделали вывод, что резонанс Ds*(2317)
хорошо вписывается в эту картину, причем не только своей массой,
но и необычной картиной распада. В заключении авторы патетично заявляют,
что BaBaR открыл не просто новую частицу, а обнаружил новое явление. Что ж, посмотрим.
Выводы
Какой вывод из всей этой истории?
Честно говоря, несколько обескураживающий. Такое ощущение, что
у теоретиков есть ответы на все вопросы. С одной стороны, это приятно,
но с другой стороны -- если вы можете описать все, что угодно,
то какая же из ваших теорий верна? Итак, ситуация оказалась не такой,
как себе это представляли экспериментаторы, но все равно -- не менее запутанной.
Нужно дожидаться новых уточненных исследований этого резонанса.
Хотя никто не гарантирует, что здесь не повторится история с a0(980) и
f0(980)-мезонами, про которые уже один десяток лет идут споры: кто это,
кварк-антикварк или молекула?
За развитием событий мы будем следить на отдельной странице
Текущие открытия в ФЭЧ: природа мезона Ds*(2317)
Ссылки:
[1] B.Aubert et al. (BABAR Collaboration), hep-ex/0304021.
[2] S.Godfrey and N.Isgur, Phys. Rev. D32, 189 (1985);
S.Godfrey and R.Kokoski, Phys. Rev. D43, 1679 (1991).
[3] Robert N. Cahn and J. David Jackson, hep-ph/0305012.
[4] T.Barnes, F.E.Close, H.J.Lipkin, hep-ph/0305025.
[5] Adam P. Szczepaniak, hep-ph/0305060.
[6] Eef van Beveren, George Rupp, hep-ph/0305035.
[7] William A. Bardeen, Estia J. Eichten, Christopher T. Hill, hep-ph/0305049.
Игорь Иванов
|