Учёные впервые получили экспериментальные доказательства существования глюболла

Учёные из Института физики высоких энергий Китайской академии наук сообщили о получении экспериментальных доказательств существования глюболла — гипотетической формы материи, состоящей исключительно из глюонов, частиц-переносчиков сильного взаимодействия. Результат был получен в рамках эксперимента Beijing Spectrometer III (BESIII), в котором участвуют исследователи из разных стран.

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, обычная материя состоит из фундаментальных частиц, среди которых кварки. Кварки объединяются в составные частицы, в частности протоны и нейтроны, из которых построены атомные ядра. Взаимодействие между кварками обеспечивают глюоны — переносчики сильного ядерного взаимодействия.

При этом глюоны обладают необычным свойством: в отличие от фотонов, они сами участвуют в сильном взаимодействии. Теоретически это означает, что глюоны способны притягиваться друг к другу и образовывать связанные состояния. Такие состояния физики называют глюболлами.

Идея существования глюболлов появилась ещё несколько десятилетий назад, однако обнаружить убедительные экспериментальные доказательства долгое время не удавалось. На протяжении примерно 50 лет физики проводили эксперименты, пытаясь найти частицы, свойства которых соответствовали бы предсказаниям для глюболлов.

В 2011 году исследователи, работавшие на установке BESIII в Китае, обнаружили неизвестную ранее частицу, получившую обозначение X(2370). Сначала учёные рассматривали её только как возможного кандидата в глюболлы.

BESIII предназначен для изучения квантовой хромодинамики — теории, описывающей сильное взаимодействие между кварками и глюонами, — а также для поиска явлений, которые могли бы указывать на физику за пределами Стандартной модели.

Эксперимент получает данные от Пекинского электрон-позитронного коллайдера II (BEPC II). Это кольцевой ускоритель с длиной окружности около 240 метров. Одним из его важных источников данных являются распады частиц J/ψ, которые особенно удобны для поиска возможных глюболлов.

После обнаружения X(2370) исследователи продолжили наблюдения. В течение следующих 13 лет они изучили распады более 10 миллиардов частиц J/ψ, чтобы определить фундаментальные характеристики обнаруженной частицы.

Одним из ключевых параметров оказался её спин и чётность, обозначаемые как 0⁻⁺. Полученное значение, вместе с измеренной массой X(2370), оказалось в согласии с теоретическими предсказаниями для псевдоскалярного глюболла.

Однако одной массы и квантовых характеристик было недостаточно, чтобы окончательно связать частицу с глюболлом. Поэтому учёные продолжили исследование её распадов и смогли обнаружить несколько новых каналов распада X(2370).

Особенно важным результатом стало определение так называемой синглетности по аромату. У частицы не обнаружили признаков, которые указывали бы на определённый аромат кварка. Это имеет принципиальное значение, поскольку чистый глюболл, согласно теории, должен состоять из глюонов и не содержать кварков в качестве составляющих.

Таким образом, исследователи получили последовательность экспериментальных признаков, связывающих X(2370) с псевдоскалярным глюболлом. По их мнению, совокупность данных позволяет говорить о первом убедительном экспериментальном подтверждении существования такой формы материи.

Если интерпретация будет окончательно принята научным сообществом, открытие подтвердит фундаментальное предсказание квантовой хромодинамики о том, что глюоны способны взаимодействовать друг с другом и образовывать связанные состояния даже без участия кварков.

Это особенно важно для понимания сильного взаимодействия. В квантовой хромодинамике глюоны являются не просто переносчиками силы между кварками — они сами несут цветовой заряд и поэтому могут взаимодействовать друг с другом. Именно эта нелинейная, или неабелева, структура теории делает возможным существование глюболлов.

Наблюдение X(2370) также предоставляет экспериментальную возможность проверить квантовую хромодинамику в области низких энергий, где расчёты особенно сложны. В этой области сильное взаимодействие становится настолько мощным, что стандартные методы приближённых вычислений перестают работать эффективно.

Поэтому изучение глюболлов может помочь физикам лучше понять, каким образом из фундаментальных взаимодействий возникают связанные частицы и различные формы сильно взаимодействующей материи.

Исследователи представили результаты работы на Международной конференции по физике высоких энергий, проходившей в Бразилии.