Само совершенство: новое семейство красивых очаровательных тетракварков

Исследователи из Института математических наук (IMSc) и Татинского института фундаментальных исследований (TIFR) опубликовали в журнале Physical Review Letters новую работу, которая освещает новый горизонт в области квантовой хромодинамики (QCD). Их исследование проливает свет на экзотические субатомные частицы и расширяет границы нашего понимания сильного взаимодействия.

Исследование посвящено сильному взаимодействию, которое создаёт почти всю массу видимого вещества во Вселенной. Несколько фундаментальных частиц, называемых кварками, участвуют в интересных взаимодействиях, обмениваясь глюонами, и создают все составные субатомные частицы, которые формируют видимую материю нашей Вселенной.

Теория квантовой хромодинамики, регулирующая динамику сильных взаимодействий, позволяет образовывать цвет-нейтральные комбинации кварков в субатомные частицы, называемые адронами. Традиционно адроны делятся на две основные категории: мезоны (например, пионы), состоящие из одного кварка и одного антикварка, и барионы (например, протоны), состоящие из трёх кварков.

Однако за пределами этих категорий находятся экзотические адроны, включая частицы с четырьмя, пятью или шестью кварками, а также частицы с глюонами, такие как глюболы. До недавнего времени существование этих экзотических адронов оставалось практически не исследованной областью для физиков.

За последние полтора десятилетия множество экспериментальных открытий пролило свет на эту ранее тёмную область, раскрывая богатый спектр экзотических адронов, которые бросают вызов традиционным представлениям о сильном взаимодействии и расширяют наше понимание субатомных частиц.

Среди этих экзотических адронов особое место занимают тетракварки, состоящие из четырёх кварков (точнее, из двух кварков и двух антикварков). Они могут существовать в компактной форме или в виде слабо связанных молекул из двух мезонов. Их точная структура остаётся загадкой, однако тетракварки наблюдаются как самые распространённые экзотические частицы, и ожидается, что в будущем будет открыто ещё больше таких частиц.

Теоретические исследования могут помочь в этих открытиях, предсказывая их кварковый состав и возможные энергетические диапазоны. В недавней работе профессора Нилмани Матхура и доктора Арчаны Радхакришнан из департамента теоретической физики TIFR, а также доктора М. Падманата из IMSc было предсказано существование нового тетракварка. Эта новая субатомная частица состоит из кварков красоты и очарования вместе с двумя лёгкими антикварками и принадлежит к семейству тетракварков, называемых Tbc: красивых очаровательных тетракварков.

Исследователи использовали вычислительные мощности Индийской инициативы по теории решеточного калибровочного поля (ILGTI) для выполнения расчётов. Формирование этого конкретного тетракварка изучалось через взаимодействия между мезонами красоты и очарования. Используя вариационные техники на различных решетках и валентных массах лёгких кварков, исследование анализировало энергетические собственные значения систем взаимодействующих мезонов в конечных объёмах и подтвердило существование этого тетракварка.

В дополнение к предсказанному тетракварку могут существовать другие тетракварки с таким же кварковым составом, но с различным спином и чётностью. Это предсказание появилось в удачный момент, совпав с недавним открытием тетракварка (Tcc), содержащего два кварка очарования и два лёгких антикварка.

Следовательно, существует реальная возможность, что новая предсказанная частица или её вариация могут быть обнаружены с использованием аналогичных экспериментальных методологий, поскольку энергетический диапазон и яркость, необходимые для их производства и обнаружения, становятся всё более доступными.

Кроме того, энергия связи предсказанной частицы превышает энергию всех ранее обнаруженных тетракварков, а связь ослабевает по мере увеличения массы лёгкого кварка. Это указывает на сложную динамику сильных взаимодействий в различных режимах масс кварков и подчёркивает интересные особенности сильного взаимодействия при формировании адронов, особенно с тяжёлыми кварками.

Это также даёт дополнительную мотивацию для поиска более тяжёлых экзотических субатомных частиц в экспериментах следующего поколения, которые могут быть использованы для расшифровки сильного взаимодействия и раскрытия его полного потенциала.