Неуловимая сингулярность показывает, что частицы меняют идентичность в полете

Физики, просматривая старые данные ускорителей элементарных частиц, обнаружили свидетельства очень неуловимого, никогда ранее не наблюдаемого процесса: так называемой сингулярности треугольника.

Треугольная сингулярность, впервые представленная российским физиком Львом Ландау в 1950-х годах, относится к редкому субатомному процессу, при котором частицы обмениваются идентичностями, прежде чем улететь друг от друга.

В этом сценарии две частицы, называемые каонами, образуют два угла треугольника, а частицы, которые они меняют местами, образуют третью точку треугольника. «Участвующие частицы обменивались кварками и в процессе этого меняли свою идентичность», — говорится в заявлении соавтора исследования Бернхарда Кетцера из Института радиационной и ядерной физики им. Гельмгольца при Боннском университете.

И это называется сингулярностью, потому что математические методы описания взаимодействий субатомных частиц не работают. Если бы эта странная перемена идентичности частиц действительно произошла, это могло бы помочь физикам понять сильную силу, которая связывает ядра вместе.

Наведение на Компас

В 2015 году физики, изучающие столкновения частиц в ЦЕРНе в Швейцарии, подумали, что они мельком увидели короткоживущий экзотический набор частиц, известный как тетракварк. Но новое исследование предлагает другую интерпретацию — что-то еще более странное. Вместо того, чтобы формировать новую группу, пара частиц обменивалась идентичностями перед отлетом.

Этот обмен идентичностью известен как сингулярность треугольника, и этот эксперимент мог неожиданно дать первое свидетельство этого процесса. Эксперимент COMPASS (общий мюонный и протонный аппарат для структуры и спектроскопии) в ЦЕРН изучает сильное взаимодействие.

Хотя у силы есть очень простая задача (удерживать протоны и нейтроны вместе), сама сила головокружительно сложна, и физикам было трудно полностью описать ее поведение во всех взаимодействиях. Чтобы понять, что такое сильное взаимодействие, ученые из КОМПАСА сталкивают частицы вместе на сверхвысоких энергиях внутри ускорителя, называемого суперпротонным синхротроном.

Затем они смотрят, что происходит. Они начинаются с пиона, который состоит из двух основных строительных блоков: кварка и антикварка. Сильное взаимодействие удерживает кварк и антикварк внутри пиона. В отличие от других фундаментальных сил природы, которые ослабевают с расстоянием, сильная сила тем сильнее, чем дальше друг от друга удаляются кварки (представьте кварки в пионе, прикрепленные резинкой — чем больше вы их разрываете, тем труднее становится) .

Затем ученые ускоряют этот пион почти до скорости света и врезают его в атом водорода. Это столкновение разрывает сильную силовую связь между кварками, высвобождая всю накопившуюся энергию. «Это превращается в материю, которая создает новые частицы», — сказал Кетцер. «Таким образом, подобные эксперименты дают нам важную информацию о сильном взаимодействии».

Четыре кварка или треугольник?

Еще в 2015 году COMPASS проанализировал рекордные 50 миллионов таких столкновений и обнаружил интригующий сигнал. После этих столкновений появлялась новая частица менее чем в 1% случаев. Они окрестили частицу «a1 (1420)» и первоначально думали, что это новая группа из четырех кварков — тетракварк. Однако этот тетракварк был нестабильным, поэтому затем распался на другие вещи.

Кварки обычно входят группами по три (которые составляют протоны и нейтроны) или парами (например, пионы), так что это было большим делом. Группа из четырех кварков была действительно редкой находкой. Но новый анализ, опубликованный в августе в журнале Physical Review Letters, предлагает еще более странную интерпретацию. Вместо того, чтобы на короткое время создать новый тетракварк, все эти столкновения пионов привели к чему-то неожиданному: легендарной сингулярности треугольника.

Вот и треугольники

Вот что думают исследователи, стоящие за новым анализом. Пион врезается в атом водорода и распадается на части, при этом вся мощная силовая энергия производит поток новых частиц. Некоторые из этих частиц являются каонами, которые представляют собой еще один вид кварк-антикварковой пары.

Очень редко, когда создаются два каона, они начинают путешествовать разными путями. В конце концов эти каоны распадутся на другие, более стабильные частицы. Но прежде чем они это сделают, они обмениваются друг с другом одним из своих кварков, трансформируясь в процессе.

Это кратковременный обмен кварками между двумя каонами, имитирующий сигнал тетракварка. «Участвующие частицы обменивались кварками и в процессе меняли свою идентичность», — сказал Кетцер, который также является участником трансдисциплинарной исследовательской области «Строительные блоки материи и фундаментальных взаимодействий» (TRA Matter). «Результирующий сигнал выглядит точно так же, как от тетракварка».

Если вы нанесете на карту пути отдельных частиц после первоначального столкновения, пара каонов образует две ноги, а обмениваемые частицы образуют третью между ними, в результате чего на диаграмме появляется треугольник, отсюда и название. Хотя физики предсказывали сингулярности треугольников на протяжении более полувека, это самый близкий эксперимент к наблюдению.

Тем не менее, это все еще не головокружительный данк. Новая модель процесса, включающего особенности треугольников, имеет меньше параметров, чем модель тетракварка, и предлагает лучшее соответствие данным. Но это не окончательно, поскольку исходная модель тетракварка все еще могла объяснить данные.

Тем не менее, это интригующая идея. Если он сохранится, это будет мощное испытание сильного ядерного взаимодействия, поскольку появление сингулярностей треугольника — это предсказание нашего понимания этой силы, которое еще предстоит полностью изучить.