Scientific.ru
Новости науки
12.05.2003 Открытие нового мезона: теоретики во всеоружии

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

Обсудить на форуме


На главную страницу