Takie różne tetrakvarki • Igor Ivanov • Zadania naukowo-popularne w "Elementach" • Fizyka

Taki inny tetraquark

Zadanie

Ostatnio współpraca LHCb pracująca przy Wielkim Zderzaczu Hadronów uzyskała dwa ważne wyniki w fizyce wielobarwnych hadronów. Przed rokiem końcu okazało rzeczywistości Tetraquarks Z. (4430) z kompozycją twaróg \ ([u \ bar % c \ bar %] \) (fig. 1, z lewej), a ostatnio ogłoszono otwór pentakwark Pc(4450), cząstki o składzie \ ([uudc \ bar %] \). W żargonie fizycznej te dwie cząstki zwane hadronów z ukrytym urokiem: zawierają one sielankowe kwark i antykwark tego samego, i tę cechę Charmed efektów twaróg, gdyż były wyrównane. Jednak kwarki c są ciężkie, a to wpływa na całkowitą masę tych hadronów.

Można sobie wyobrazić inny wariant stanów wielokierunkowych o w przybliżeniu tej samej masie. Zamiast pary c-anty-c będą zawierać dwa zaczarowane kwarki (lub dwa zaczarowane antykwarki). To, na przykład, dwa zaczarowane postać Tetraquarks \ ([\ u \ bar pasek D C C] \) (fig. 1, po prawej stronie) i pentakwark \ ([u \ bar UD cc] \). Cząstki te nie są jeszcze eksperymentalnie otwarte, ale nic nie stoi na przeszkodzie, aby teoretycznie je zbadać. W szczególności można zapytać: w jaki sposób właściwości wielokondygnacyjnych hadronów o w przybliżeniu takiej samej masie z podwójnym i z ukrytymi amuletami będą ze sobą powiązane?

Ryc. 1. Dwa tetraquarki o mniej więcej tej samej masie, z których każda zawiera dwa ciężkie i dwa lekkie kwarki: tetraquark z ukrytym urokiem (po lewej) i dwukrotnie zaklętego tetrakvark (po prawej)

Udowodnij toTen podwójnie zaklęty tetraquark powinien być bardziej odporny na próchnicę niż tetraquark z ukrytymi urokami. Dowiedz się, czy ten sam argument będzie działał w przypadku pentaquarks.


Wskazówka 1

Tetraquark rodzi się i rozpada z powodu silnej interakcji. Jego rozpad to po prostu przegrupowanie kwarków w dwa mezony, które następnie odlatują; same kwarki nie zmieniają swojego typu. Dlatego konieczne jest zrozumienie, z jakiego powodu ta rearanżacja i ekspansja są trudne dla dwukrotnie zaklętego tetraquarka w porównaniu do zaklętego zaklętego człowieka. I do tego trzeba się zastanowić, jakie siły działają między kwarkami, a także co i jak wpływa ich wielka masa.


Wskazówka 2

Ryc. 2 Dwa kwarki współdziałają ze sobą poprzez wymianę gluonu, analogicznie do sposobu, w jaki ładunki elektryczne oddziałują ze sobą poprzez wymianę fotonów. Rysunek z artykułu Chromodynamika kwantowa

Chociaż siły łączące kwarki w hadrony są dość skomplikowane,Niektóre cechy interakcji można zaobserwować przez analogię z konwencjonalną elektrodynamiką, z prawami przyciągania i odpychania ładunków. Ta analogia jest oczywiście niedokładna, więc w pewnym momencie trzeba będzie przestać, ale pomaga uchwycić jeden wzorzec. Aby zastosować tę analogię, warto ponownie przeczytać zadanie Przeorganizuj wodór i anty-wodór.


Rozwiązanie

Oznaczamy kwark światła wspólnym symbolem \ (q \), a ciężki przez \ (Q \); antiquarks, jak zwykle, są oznaczone przez myślniki: \ (\ bar q \) i \ (\ bar Q \). Jeśli mamy kombinację dwóch ciężkich i dwóch lekkich kwarków, a rozpad idzie w pary, wtedy dwa ciężkie kwarki mogą odlecieć razem albo osobno. W przypadku tetraquarku z ukrytym urokiem, \ ([q \ bar q Q \ bar Q] \), możliwe są oba zaniki: \ ([q \ bar Q] + [Q \ bar q] \) i \ ([q \ bar q] + [Q \ bar Q] \). W przypadku podwójnie zaklętego tetraquarka możliwy jest tylko pierwszy wariant: \ ([Q \ bar q] + [Q \ bar q] \). Drugi wariant jest niemożliwy, ponieważ dwa kwarki nie mogą utworzyć mezonu; musi zawierać jakiś kwark i jakiś antykwark.

Teraz porównujemy dwa zaniki: \ ([q \ bar Q] + [Q \ bar q] \) i \ ([q \ bar q] + [Q \ bar Q] \). Z rozwiązania problemu przegrupowania ładunku już wiemy, do czego jest przeznaczony drugi zepsucie.Tworzy on wiązany system dwóch ciężkich cząsteczek, który jest znacznie bardziej zwarty niż system \ ([q \ bar Q] \) lub \ ([q \ bar q] \), a zatem ma wyższą energię wiązania. Innymi słowy, obecność mezonów \ ([Q \ bar Q] \) sprawia, że ​​rozpad \ ([q \ bar q] + [Q \ bar Q] \) jest energetycznie korzystniejszy niż \ ([q \ bar Q] + [Q \ bar q] \).

W przypadku podwójnie zaklętego tetraquarka ten energooszczędny rozkład jest niemożliwy. Tak więc taki tetraquark rozpada się na mniej dogodny układ, który utrudnia jego rozkład. W rezultacie okazuje się, że wszystkie rzeczy są równe, podwójnie zaklęty czworokwiat będzie żył dłużej niż czworokąt z ukrytymi urokami. Oczywiście silna interakcja wewnątrz hadronu w jakiś sposób modyfikuje ten obraz, ale przynajmniej ogólna tendencja tu opisana musi istnieć.

Aby ostrzec możliwe pytanie, należy wyjaśnić, że w jednym miejscu porażka elektrodynamiczna. W elektrostatyce dwa identyczne kwarki (to znaczy ładunki) są zawsze odpychane, a para kwark-antykwark (czyli inaczej niż ładunki) przyciąga. W przypadku silnej interakcji wzór jest bardziej złożony: wszystko zależy od rodzaju "kolorowych" kwarków.W szczególności możliwe jest, aby ze względu na silne oddziaływanie wzajemnie przyciągały zarówno dwa kwarki, jak i parę kwark-antykwark. Dlatego lekcja wyniesiona z problemu elektrodynamicznego może być użyta w obu sytuacjach.

W przypadku pentakwarków otwiera się więcej możliwości, więc obserwowany wzór nie działa. Kombinacja \ ([qqq Q \ bar Q] \) może rozbić się na parę barion-mezon. \ ([Qqq] + [Q \ bar Q] \) lub \ ([qqQ] + [q \ bar Q] \), oraz Pierwszy rozpad jest energetycznie korzystniejszy ze względu na zwarty ciężki mezon. Ale podwójnie zaklęty pentaquark \ ([qq \ bar q QQ] \) również nie jest głupi: ma rozpady na \ ([qQQ] + [q \ bar q] \) i na \ ([qqQ] + [Q \ słupek q] \). Bliskie połączenie dwóch ciężkich kwarków w tym przypadku jest możliwe, ponieważ trzeci kwark pomaga im zjednoczyć się w barionie (ta cząsteczka o składzie \ (dcc \) jest oznaczona \ (\ Xi {% ^ + \), a przy okazji istnieją eksperymentalne wskazówki jego istnienie).


Posłowie

Fizyka wielokondygnacyjnych hadronów jest obszarem niezwykle trudnym do zbadania. Główna trudność jest eksperymentalna: konieczne jest zorganizowanie odpowiednich warunków do kolizji, wygenerowanie wielotonowego hadronu, a następnie rozpoznanie jego rozpadu. Ale nawet w najrzadszych przypadkachgdy potwierdzona jest obecność kompozycji wielokondygnacyjnej, bardzo trudno jest ustalić, jaką strukturę ma cząstka – czy jest to czysty stan wielokąta we wspólnej "powłoce", czy tylko cząsteczka hadronowa połączona układem dwóch mezonów.

Ponieważ istnieje bardzo mało wiarygodnych danych eksperymentalnych i ich ogólnie akceptowane interpretacje, prawie wszystkie stwierdzenia na ich temat są wciąż dokonywane przez teoretyków. Analizowany tu przykład – zwiększona stabilność podwójnie zaklętych tetraquarks – jest również teoretycznie przewidywanym, ale jeszcze nie eksperymentalnie zweryfikowanym zjawiskiem. Uzyskano go nie tylko na poziomie rozumowania jakościowego, jak w tym problemie, ale także przy pomocy złożonego numerycznego modelowania interakcji kwarków. Jednym z ostatnich artykułów na ten temat jest preprint, który ukazał się w maju tego roku, w którym szczegółowo zbadano istnienie i stabilność takich ciężkich tetraquarks, ale tylko z kwarkami b zamiast c-kwarków (ryc. 3).

Ryc. 3 Schematyczne przedstawienie konfiguracji kwarka w tetraquarku \ (qq \ bar b \ bar b \). Wykluty obszar – strefa dystrybucji i działania kwarków lekkich, różowy obszar – obszar dystrybucji i działania kwarków b. Czerwone linie warunkowo pokazać geometrię lamp polowych siłowych działających między kwarkami. Liczby "3", zaznaczone na zdjęciu, charakteryzują stan kolorów kwarków i ich par. Obraz z artykułu arXiv: 1505.00613


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: