ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Фізика — 25.10.21
    ТЕКСТ: Назар Бартосік
    Ілюстрації: Катерина Шелевицька
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Чотири в одному: що таке тетракварки і чому вони важливі

    Що таке тетракварки, як вони «вписуються» у те, що відомо науковцям про Всесвіт, і чому їх немає в усіх речах довкола нас? 

    Наше сучасне розуміння будови Всесвіту має досить довгу історію з кількома фундаментальними проривами, кожен з яких піднімав нашу цивілізацію на новий рівень технологічного розвитку. 

     

    Першим таким проривом я б назвав перехід від філософських роздумів до науково-експериментального підходу в пізнанні світу, за допомогою якого Джон Дальтон із досить простих закономірностей у поглинанні газів рідинами дійшов висновку про певну ієрархію у внутрішній будові речовин. Цим він заклав фундамент для молекулярної теорії про будову матерії, яку підсумовує знайома всім періодична таблиця Менделєєва. У цій моделі є скінченний набір унікальних елементів – атомів, які можуть поєднуватись з іншими атомами в молекули, які й визначають конкретну речовину із властивими їй кольором, запахом, густиною, твердістю, в’язкістю, еластичністю, теплопровідністю, електропровідністю, горючістю тощо. Це уможливило появу цілої хімічної промисловості і дозволило людям перейти від використання лише природних матеріалів, як-от дерево, камінь, глина чи залізо, до нескінченного переліку штучно синтезованих матеріалів із новими властивостями, зокрема різних видів пластику, суміші газів, видів пального.

     

    Другий фундаментальний зсув відбувся після досліджень Ернеста Резерфорда, з яких він зробив висновок про існування масивного ядра всередині атомів, які на той час вважались неподільними частинками із конкретною масою та електричним зарядом. Це розуміння не перекреслило попередню молекулярну модель, а поглибило її, дозволивши маніпулювати речовинами не тільки на рівні молекул та атомів, але й ядер. Це відкрило принципово нові можливості для нашої цивілізації, такі як ядерна енергетика, магнітно-резонансна томографія (МРТ), використання радіоактивних міток в медицині чи радіовуглецеве датування в археології.

     

    Намагання описати поведінку матерії в масштабах молекули, атома та ядра в межах єдиної теорії призвели до формулювання квантової механіки, яку можна назвати третім фундаментальним проривом. Він значно поглибив розуміння процесів, що відбуваються на мікроскопічних масштабах, відкривши абсолютно нові можливості у сфері хімії, оптики, наноматеріалів, мікроелектроніки, без яких більшість звичних на сьогодні hi-tech приладів були б неможливими.

     

    Останнім фундаментальним зсувом в напрямку ще глибшого розуміння того, як влаштована природа, можна назвати формулювання Стандартної Моделі елементарних частинок, яка є результатом тривалого розвитку ідей квантової теорії для пояснення більш екзотичних видів матерії. В нашому повсякденному житті вони мало як проявляються, і безпосередній вплив цього глибшого розуміння прогресу нашої цивілізації оцінювати ще, мабуть, рано, але модель ця досить красива і багато чого пояснює.

    Шлях до тетракварків

     

    Намагаючись зрозуміти, як функціонує природа на дедалі менших масштабах, ми поступово занурювалися глибше всередину частинок, що, як нам здавалось, є неподільними елементами, з яких складається все довкола – спочатку молекули, потім атоми всередині молекул, потім ядра з електронами всередині атомів, потім протони й нейтрони всередині ядер. І під час кожного наступного занурення ці нові елементи ставали більш універсальними, а все розмаїття на вищому рівні ставало просто наслідком різних комбінацій цих кількох базових елементів. Відповідно, коли ми дійшли до протонів та нейтронів, все видавалося дуже елегантним і лаконічним. Є лише три базових елементи – протон, нейтрон та електрон. Комбінуючи їх, ми можемо описати будь-яку звичну нам речовину, що можна побачити, відчути на дотик, смак чи запах і що реально існує в нашому повсякденному житті – чи то вода, чи повітря, чи кварцове скло, чи карбонові нанотрубки, чи ядерне паливо.

     

    Проте паралельно з цим існував інший загадковий вид матерії, який у нашому повсякденному житті майже не трапляється, але в дослідах вчених однозначно був. Початком цього можна вважати досліди з радіоактивності, яка, як відомо, існує не лише на атомних станціях, але й просто у природі навколо нас, хоч і значно менше. І враховуючи це, цілком очікуваним було те, що наявність природних радіоактивних елементів у нашій планеті і є джерелом фонової радіації, яку ми спостерігаємо на її поверхні. Так було, поки Віктор Гесс не вирішив поміряти, як цей рівень радіації змінюється, якщо піднятися вище. Здавалось очевидним, що коли більше віддалятися від поверхні Землі, яка й випромінює цю радіацію, її рівень буде знижуватись. Коли він піднявся на Ейфелеву вежу (300 м над рівнем моря) радіація справді стала слабшою, але не настільки, як передбачали розрахунки. Коли він піднявся ще вище на повітряній кулі (1 км над рівнем моря), рівень радіації майже не змінився. А ще вище (5 км над рівнем моря) він навпаки став втричі більшим, що аж ніяк не збігалося з очікуваннями. Найпростіше це можна було пояснити тим, що є ще одне навіть потужніше джерело радіації, яке розташоване десь над нами, в космосі. Так почались активні дослідження так званих космічних променів, тобто частинок, які прилітають на нашу Землю із космосу. Ми їх не можемо побачити чи відчути напряму, але вони дуже реально впливають на наше повсякденне життя.

     

    Наприклад, майже всі цифрові прилади, якими ми користуємось, зберігають інформацію у двійковій системі, де кожна комірка пам’яті має один біт, що може мати значення 0 або 1. Вся цифрова електроніка тримається на цілком очікуваній умові – кожен біт інформації залишається рівно в тому значенні, в якому його записали, поки його навмисно не змінять на інше, що і забезпечує передбачуваність і надійність програми та цілісність даних, якими вона оперує. Проте якщо космічний промінь вцілить точно в одну з таких комірок, він може викликати в ній достатній електричний заряд, щоб змінити значення біта на протилежне, повністю порушивши таким чином цілісність даних. Це явище називається Single Event Upset (SEU) і деякі карти пам’яті та мікропроцесори проєктують із вбудованим захистом від таких збоїв. Таку ж назву має один з найпоширеніших збоїв в електроніці детекторів на Великому Адронному Колайдері, де підвищений рівень радіації робить його цілком звичним явищем, яке реєструє і виправляє окрема програма на регулярній основі кожні кілька хвилин чи й частіше.

     

    Отже, після спостережень за космічними променями стало зрозуміло, що існують й інші частинки, які не є ні електронами, ні протонами, ні нейтронами. Вони «живуть» дуже недовго і розпадаються на звичні нам і добре відомі «елементарні» частинки. Тому їх неможливо виявити напряму, але зареєструвавши продукти їхнього розпаду та застосувавши закони збереження енергії й імпульсу, можна вирахувати параметри тієї початкової частинки, яку ми не бачимо. Згодом, коли вчені навчилися розганяти електрони та протони в прискорювачах і дивитись, що відбувається внаслідок їхніх зіткнень, вони побачили такі самі частинки, що й у складі космічних променів, а також інші, яких раніше взагалі не бачили. І що довше проводились ці експерименти, то більше нових частинок відкривали. Був період, коли це все взагалі називали «зоопарком частинок» – настільки їх було багато, і незрозуміло чому. Але з часом все це вдалося систематизувати за допомогою теорії квантової хромодинаміки, яка є одним з ключових блоків у Стандартній моделі елементарних частинок. 

     

    Згідно із цією моделлю вся матерія в природі складається всього лише із 12 елементів: шести лептонів (e/μ/τ та відповідні їм нейтрино: νeμτ) та 6 шести кварків (d/u/s/c/b/t)1. (У Стандартній моделі кварки та лептони поділені на три так звані покоління, де частинки у кожному наступному поколінні мають суттєво більшу масу. Серед кварків частинки всередині одного покоління мають маси схожого порядку і між собою принципово не відрізняються. Серед лептонів, які також мають три покоління з різними масами, половину частинок становлять нейтрино, які мають надзвичайно малу масу і майже не взаємодіють із матерією. Для зручності нейтрино позначають символом масивного лептона із того ж покоління, де електрон та відповідно електронне нейтрино належать до першого покоління.) При цьому лептони є цілком самодостатніми й існують поодинці, а от кварки самі по собі існувати не можуть – вони обов’язково мають з’єднуватися з іншими кварками у комплексні частинки, які називають адронами, серед яких є і добре відомі нам протон та нейтрон. Таким чином, як із обмеженої кількості атомів у періодичній таблиці Менделєєва можна скласти безліч різних молекул, так і з шести кварків можна скласти досить багато різних адронів.

     

    Кожен кварк має конкретні характеристики, як-от маса, електричний заряд, спінове квантове число (це один із параметрів ступенів вільності частинки, який у класичній механіці пов’язували із власним моментом імпульсу внаслідок обертального руху частинки), та кілька інших, і конкретна їхня комбінація визначає властивості самого адрона, зокрема його стабільність або ймовірність народження у певній реакції. І так просто вийшло, що лише протон (uud) та нейтрон (udd) мають достатньо довгий час життя, щоб разом з електронами утворювати атоми, а потім – молекули, які можуть спокійно існувати у звичних для нас часових масштабах. Всі ж решта адронів у цьому «зоопарку частинок» живуть надто мало і ніяких стабільних елементів утворити не можуть. Наприклад каони (us̅), які час від часу долітають до нас з космосу, мають середній час життя в стані спокою близько 12 мільярдних часток секунди, і, як видно з формули, складаються лише із двох кварків, або точніше – з одного u кварка та одного s̅ антикварка. І досить довгий час весь цей «зоопарку частинок» складався лише з адронів із двома або трьома кварками, не більше. Тим не менше, Стандартна модель не забороняє існування і більш складних комбінацій, наприклад, із чотирьох (тетракварки) чи п’ятьох (пентакварки) елементів. Тому серед насиченої програми дослідів на Великому Адронному Колайдері (ВАК) частина ресурсів відведена для пошуку таких частинок, зокрема тетракварків.

    Алгоритм пошуку

     

    Тетракварки, як і інші екзотичні частинки, є дуже короткоживучими, інакше ми б їх уже давно зареєстрували. Тому якщо вони існують, знайти їх можна лише через більш стабільні продукти їхнього розпаду. В дуже спрощеному варіанті достатньо взяти всі стабільні частинки, які були зареєстровані внаслідок зіткнення двох протонів на Великому адронному колайдері, скласти їх докупи і порахувати масу частинки, яка б на них могла розпастись. Якщо всі ці стабільні частинки є незалежними, порахована маса буде мати досить випадкове значення. Але якщо вони насправді є продуктом розпаду однієї конкретної частинки, наприклад, конкретного тетракварка, то порахована маса в таких випадках завжди буде одна й та сама і дорівнюватиме масі цього тетракварка.

     

    Процес переходу від реально зареєстрованих детектором стабільних частинок на вищий рівень невидимих частинок, які гіпотетично на них розпались, називається кінематичною реконструкцією і побудований на законах збереження енергії й імпульсу. Зазвичай під час одного зіткнення двох протонів в різні боки розлітаються від кількох одиниць до кількох сотень різних частинок, і ймовірність утворення якогось конкретного набору частинок в такому зіткненні чітко диктується Стандартною моделлю. Детектори в цих експериментах спроєктовані так, щоб спочатку з мікронною точністю виміряти траєкторії усіх частинок у магнітному полі, з яких можна вирахувати електричний заряд та імпульс. Потім вони повністю поглинаються в калориметрах, які вимірюють кількість поглинутої енергії. Маючи всю цю інформацію, тип кожної стабільної частинки можна визначити з досить високою точністю, а потім їх можна комбінувати і дивитись, чи якась із комбінацій за законами збереження могла б бути продуктом розпаду відомої нам нестабільної частинки. Після цього можна піднятись ще на один рівень і комбінувати ці реконструйовані нестабільні частинки між собою або з іншими стабільними частинками із того ж протон-протонного зіткнення. І якщо кінематична реконструкція якоїсь конкретної комбінації нестабільних частинок раз за разом дає результат із одним і тим самим значенням маси, найімовірніше, ця комбінація є продуктом розпаду якоїсь іншої нестабільної частинки.

     

    Історія експериментальних пошуків тетракварків почалась у 2003 році, коли експеримент Belle в Японії знайшов частинку Χc1(3872), і за наступні майже 20 років у різних експериментах було знайдено близько 30 різних частинок, які можна було б інтерпретувати як тетракварки. Більшість із них мали в своєму складі кварк-антикварк пару (cc̅), зокрема й один з останніх тетракварків – X(6900), який знайшли в межах експерименту LHCb (Large Hadron Collider beauty) у 2020 році, і складається він із двох таких пар: cc̅cc̅2.

    Свіжі результати 2021 року

     

    У цьому році експеримент LHCb знову привернув увагу до тетракварків через відкриття ще однієї частинки із кількома особливими характеристиками. Новий тетракварк Tcc+ має формулу ccu̅d̅ і був знайдений через продукти його розпаду: піон та два D0 адрони, кожен з яких розпався ще на піон (π) та каон (K), тож масу тетракварка потрібно було вирахувати із п’яти окремих частинок зареєстрованих детектором3,4. Наявність двох c кварків, які не компенсовані відповідними антикварками, досі ще не траплялися, адже всі попередні рази знайдені потенційні тетракварки мали однакову кількість c кварків та c̅ антикварків. Інша його особливість полягає в масі, яка ледь-ледь не дотягує до значення, якого було б достатньо для розпаду на більш просту комбінацію D*+D0, що суттєво скоротило б час життя цього тетракварка. Але через недостатню масу такий розпад є неможливим, що робить його більш стабільним. Зрештою, існування тетракварка ccu̅d̅ дає підстави очікувати, що існує ще важчий варіант із b кварками замість c кварків, bbu̅d̅, який міг би бути ще більш стабільним.

     

    Стабільність та чітка визначеність маси таких тетракварків є особливо актуальною для перевірки точності Стандартної моделі. Враховуючи, що ми досі не маємо пояснення темної матерії, великі надії покладаються на пошук нових частинок, що не вписуються в Стандартну модель, які насправді і є цією темною матерією. Проте за весь час існування Великого адронного колайдера ми досі не знайшли ніяких слідів таких частинок, тому поступово дедалі більше уваги звертають на перевірку Стандартної моделі у більш екзотичних умовах, де з більшою ймовірністю можна знайти розбіжності і, відповідно, зрозуміти, в якому напрямку її розвивати далі. 

     

    Саме зараз ВАК починає новий період набору даних паралельно із розробкою оновлених детекторів для майбутнього апґрейду всього прискорювача до ще більших потужностей. Тож тетракварки та інші екзотичні адрони будуть народжуватись у протон-протонних зіткненнях іще частіше, даючи змогу відкрити багато нових частинок і, можливо, знайти такі, про які сьогоднішня Стандартна модель ще не знає.

    ТЕКСТ: Назар Бартосік
    Ілюстрації: Катерина Шелевицька
    Статті
    Медицина
    Невидимий ворог на нашій землі: чому варто зробити щеплення від правця

    За останні декілька місяців українці навчились остерігатись багатьох речей: ракет, мін, російської музики та ютубу, але ми все ще забуваємо про невидимого ворога у нашій землі. Неприємно познайомитись – Clostridium tetani, збудник правця.

    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?