А может, все мы состоим из солитонов?

В январе 2003 года группа исследователей, работающая с установкой LEPS на японском накопителе SPring-8, опубликовала результаты поиска экзотической частицы Z+. Частица была найдена! И более того, она была найдена именно там, где ее предсказывали солитонные модели устройства барионов. Если выяснится, что это не случайное совпадение, то нам придется сделать вывод, что вся материя вокруг нас - и мы сами! - состоим из сплошных солитонов!

Что, собственно, нашли

Работу hep-ex/0301020, про которую здесь пойдет речь, можно, без сомнения, считать самым важным открытием января. Изучался, казалось бы, самый обычный, "скучный" процесс столкновения высокоэнергетических фотонов (с энергией от полутора до двух с половиной ГэВ) с углеродной мишенью. Чуть ли не лабораторная работа для студентов-ядерщиков. Но каков результат!

В реакции

(нейтроны здесь - это те нейтроны, которые сидят в ядрах) в распределении по инвариантной массе K+ мезона и нейтрона обнаружен узкий резонанс с массой 1540 +/- 10 МэВ и шириной менее 25 МэВ.

Количество зарегистрированных событий как функция инвариантной массы K+ мезона и нейтрона, в Гэвах. Сплошная гистограмма - данные на углероде-12, штрихованная - данные на мишени из жидкого водорода, прошедшие ту же самую процедуру отбора. Статистический уровень сигнала - 4.6 стандартных отклонения.

Самое важное - это то, что этот барионный резонанс распадается на K+, кварковая структура (u анти-s), и нейтрон, кварковая структура (udd), причем распадается быстро, а значит, этот распад идет за счет сильного взаимодействия. В сильном взаимодействии, как известно, тип кварков меняться не может. Поэтому мы приходим к выводу, что наблюденная частица-резонанс содержит странный антикварк, то есть, это барион с положительной странностью. В наивной кварковой модели такого бариона не существует! А в природе - он есть!

Поскольку статистическая значимость сигнала составляет 4.6 стандартных отклонения, сомнений в том, что это действительно сигнал, а не игра случая, практически не остается. Поэтому надо сесть и подумать, что это за зверь.

Что это за зверь? Традиционные объяснения

Назовем эту частицу Z+. Итак, прежде всего ясно, что это не трехкварковое состояние. Как мы уже говорили, на уровне кварков положительная странность означает, что этот барион содержит странный антикварк. Но поскольку это барион, то есть, частица с барионным числом +1, то значит, в нем число кварков должно превышать число антикварков на три. Итак, это может быть связанное состояние четырех легких кварков и странного антикварка (условно, такое состояние можно назвать пентакварком):

Какие еще есть варианты? Еще возможно, что Z+ не кварковый барион, то есть, не связанное состояние нескольких кварков, а связанное состояние нейтрона и каона, так называемая молекула. Это как бы аналогично атомному ядру - ведь там отдельные нуклоны, хоть и связаны вместе, но сохраняют свою обособленность, и никто не считает, что ядра - это мешки, наполненные кварками.

А ведь солитонная модель барионов этого зверя предсказала!

Есть, однако, еще одна возможность: Z+ может быть солитонным барионом. Про солитонные модели барионов читайте в нашем журнале заметку В.Копелиовича Топологические солитонные модели барионов и их предсказания, а также см. недавнюю теоретическую работу hep-ph/0303138. На более детальном, но все же достаточно популярном уровне, про эти модели можно прочитать в статье hep-ph/9703373.

Самое поразительное, что экспериментальные поиски Z+, результаты которых вылились в сенсацию, как раз вдохновлялись предсказаниями киральной солитонной модели барионов. В рамках этой модели утверждается, что все легкие барионы - это солитонные решения уравнений квантовой хромодинамики. То есть, они не составлены из отдельных конституентных кварков, а представляют из себя как бы размазанное в пространстве поле. На языке квантовой теории поля, протон в этой модели состоит не из вторично-квантованных частиц, а есть почти что классическое решение уравнений ("почти" - потому что квантование в этой модели все же присутствует, но это обычное, квантово-механическое, а не квантовое-полевое квантование).

Кроме описания уже имеющихся октета и декуплета барионов, эта модель предсказывает существование других семейств барионов, в частности анти-декуплета. И именно эта модель предсказывала существование бариона с массой примерно 1530 МэВ с положительной странностью еще в 1997 году. И вот, целенаправленный поиск в этой области принес положительный результат!

Такой подход может показаться кощунством, ведь эта модель смеет противопоставлять себя привычной кварковой модели! И тем не менее, никаких противоречий ни внутри самой модели, ни в описании масс и статических свойств известных барионов эта модель не испытывает!

Важно понимать, что даже если эта солитонная модель подтвердится, то это не означает, что кварки "закрыли". Кварковая структура адронов - факт настолько многократно перепроверенный в эксперименте, в особенности, в области высоких энергий, что сомневаться в нем не стоит. Реальный вопрос, стоящий сейчас на повестке дня (и получивший новый толчок благодаря этому открытию) - это каковы физически осмысленные степени свободы внутри бариона. И если данное открытие подтвердит верность солитонной модели, то это просто будет означать, что барионы - это вовсе не такой простой конструктор из кубиков-кварков, как может показаться на первый взгляд. Ну и наконец, надо помнить, что сами эти солитоны - это всего лишь несколько непривычные решения тех же самых "кварковых" уравнений (уравнений КХД).

Некоторое послесловие

Стоит отметить, что эксперимент, позволивший увидеть эту частицу, был далеко не тривиальным. Ведь нейтронов просто так нигде нет, и реакции на нейтронах - это обычно реакции на ядрах (в данном эксперименте это были ядра углерода-12), из которых затем тщательно вычитается протонная составляющая. Кроме того, если нам требуется восстанавливать инвариантную массу, то нам нужно правильно учесть и внутреннее движение нуклонов в ядре (ферми-движение): ведь это движение, если его не учесть, повлечет за собой искажение и кинематики конечных частиц. Именно подробному изложению методики этого учета посвящена значительная часть статьи. Методика достаточно непростая, и будем надеяться, что экспериментаторы не ошиблись где-то по пути.

Да, и еще крайне важная вещь: аналогичный резонанс нашли и наши ученые (эксперимент DIANA в ИТЭФе), и о нем уже было доложено на отделении ядерной физики сессии РАН в декабре 2002 года. Сообщение будет опубликовано в сборнике конференции, который выйдет в "Ядерной Физике".

Итак, ждем дальнейшего прогресса в этой области. Вполне вероятно, что скоро школьные учебники придется подкорректировать: ведь говорить, что протоны состоят из кварков уже будет нельзя.