Ученые обнаружили "треугольную сингулярность", несущую ответственность за изменения типов элементарных частиц - «Наука и технологии»

Международная группа исследователей, возглавляемая учеными из Боннского университета, провела тщательный анализ данных, собранных во время экспериментов на одном из ускорителей частиц, и нашла долгожданные доказательства существования одного весьма экзотического явления. Это явление, так называемая "треугольная сингулярность", несет ответственность за то, что при некоторых условиях элементарные частицы могут обмениваться кварками и превращаться в частицы других типов. Кроме этого, явление "треугольной сингулярности" содержит в себе ответ на одну из загадок, которая озадачивала ученых-ядерщиков долгое время: протоны, нейтроны и множество других частиц имеют намного большую массу, чем можно было бы ожидать с точки зрения некоторых современных теорий. Это происходит из-за некоторых особенностей сильных ядерных взаимодействий, которые скрепляют и удерживают кварки.

Во время исследований ученые провели анализ данных эксперимента COMPASS Европейской организации ядерных исследований CERN. Этот эксперимент заключается в разгоне до чрезвычайно высоких скоростей определенных частиц, называемых пионами, и в "стрельбе" этими пионами по атомам водорода.

Частицы, называемые пионами, состоять из кварка и антикварка, скрепленных силами сильных ядерных взаимодействий, как два разнополюсных магнита. Однако, если магниты разорвать и начать отодвигать друг от друга, сила их взаимного притяжения будет уменьшаться при увеличении расстояния. Силы сильных ядерных взаимодействий ведут себя совершенно иначе, их сила увеличивается при увеличении расстояния, делая это все подобным растягиваемой пружине или резинке.

Однако, при столкновении пиона с ядром водорода "резинка" сильных ядерных взаимодействий "лопается" и высвобождается достаточно большое количество накопленной потенциальной энергии. "Эта энергия превращается в материю, и данный процесс создает элементарные частицы новых типов" - пишут исследователи.

В 2015 году датчики эксперимента COMPASS во время проведения "стрельб" пионами по атомам водорода зарегистрировали весьма необычные сигналы. Характер этих сигналов указывал на то, что при столкновении на очень короткое время возникла экзотическая частица. "Обычные частицы, такие, как протоны и нейтроны, состоят из трех кварков. Другие, такие, как пионы, состоят из кварка и антикварка" - пишут исследователи, - "В данном же случае возникла промежуточная частица, состоящая из четырех кварков, так называемый тетракварк".

Однако, более точный анализ данных показал, что наличие необычного сигнала можно объяснить и несколько иначе, с точки зрения возможности существования явления "треугольной сингулярности". Этот механизм был описан теоретически еще в 1950-х годах советским физиком Львом Давидовичем Ландау, но до последнего времени еще не было получено ни одного экспериментального доказательства.

Согласно этому, во время столкновения пиона и атома водорода тетракварк не возникает вообще, а возникают некие промежуточные частицы, содержащие кварки и антикварки. Промежуточные частицы моментально распадаются, а находящиеся рядом частицы, участвующие в столкновении, обмениваются кварками и меняют свой тип. Возникающие при этом сигналы очень сильно напоминают сигналы от частицы-тетракварка, имеющей определенную массу. "Это является первым разом в истории науки, когда нам удалось обнаружить явление "треугольной сингулярности", маскирующееся под другую элементарную частицу в соответствующем массовом диапазоне" - пишут исследователи, - "Полученные нами результаты представляют большой интерес, так как они позволяют нам более глубоко проникнуть в тайны сильных ядерных взаимодействий".

Нам всем известно, что протоны, нейтроны, пионы и другие частицы-адроны обладают массой, которая получается в результате работы так называемого механизма Хиггса. Однако, ученые уже давно заметили, что протон обладает массой, в 20 раз большей, чем это может быть объяснено только одним механизмом Хиггса. "Оказывается, что большая часть массы адронов возникает в результате сильных ядерных взаимодействий" - пишут исследователи, - "К сожалению, точный механизм, отвечающий за формирование всей массы частиц, нам еще неизвестен. Полученные нами данные позволяют нам лучше понять некоторые из свойств сильных ядерных взаимодействий и возможные пути, которыми эти взаимодействия влияют на массу элементарных частиц".