Стандартная модель (СМ), современная теория микромира, описывает все известные элементарные частицы, а также электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия между ними.
Но если электромагнитные и слабые взаимодействия хорошо изучены и прекрасно предсказываются в рамках теории, то сильные – известны хуже. Например, основные типы адронов, участвующие в сильных взаимодействиях – мезоны и барионы – состоят из кварков. В некоторых случаях в рамках различных теорий, зная свойства кварков, можно вычислить параметры этих составных частиц, например, массу.
Если энергия сталкивающихся электронов и позитронов близка к массе таких составных частиц, то наблюдается резкое увеличение вероятности электрон-позитронной аннигиляции, называемое резонансом. Однако резонансы могут быть связаны не только с рождением новых мезонов или барионов, но и с взаимодействием уже известных. Специалисты Института ядерной физии им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали теоретическую концепцию, которая описывает процессы между сильновзаимодействующими частицами, рожденными в результате электрон-позитронных столкновений. Теоретическая модель российских физиков решает несколько важных задач: объясняет сильную зависимость вероятности рождения пар мезонов и барионов от энергии столкновения и, как следствие, позволяет описывать структуру сильных взаимодействий и свойства рожденных частиц; помогает экспериментаторам понять природу наблюдаемых на коллайдерах эффектов, то есть более точно определить, что перед ними: новая частица или резонансное взаимодействие уже известных. Препринт работы опубликован на сайте arXiv.
Физика элементарных частиц – наука экспериментальная. С помощью ускорителей измеряются параметры частиц и изучаются их взаимодействия. Теория опирается на данные, полученные в таких экспериментах. Однако и эксперимент не может обойтись без теории. Поиск и изучение новых явлений, более глубокое погружение в уже известные, невозможны без точных теоретических расчетов и предсказаний.
«Для электромагнитных и слабых взаимодействий достаточно легко производить теоретические вычисления и получать разные предсказания о свойствах и параметрах частиц, участвующих в них, – прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Сергей Сальников. – В сильных взаимодействиях все эффекты гораздо существеннее, из-за чего получать предсказания из первых принципов, как мы это делаем для электромагнитных и слабых взаимодействий, не получается. В таких случаях теоретики в своих предсказаниях опираются на экспериментальные данные, создавая на их основе феноменологические, то есть описательные, модели, которые и объясняют детектируемые на коллайдерах явления».
Под первыми принципами понимаются теоретические вычисления, основанные на фундаментальных представлениях, с использованием фундаментальных уравнений, например, лагранжиана СМ – уравнения квантовой теории поля, описывающего все известные элементарные частицы и их взаимодействия (кроме гравитации) на основе калибровочной симметрии. Если таким способом получить предсказание не получается, то физики-теоретики создают феноменологические теории. Они описывают наблюдаемые явления и их взаимосвязи на более высоком уровне без детального объяснения микроскопических причин или фундаментальных механизмов.
«Существует стандартное представление о мезонах и барионах как о составных частицах, – пояснил Сергей Сальников. – Большое их разнообразие: пси-мезоны, ипсилон-мезоны, D-мезоны, B-мезоны наблюдается на электрон-позитронных коллайдерах и проявляется в виде резонансов. Естественное желание физиков при наблюдении подобного резонанса – описать его как какую-то ранее не наблюдавшуюся частицу. Собственно, так и происходят открытия новых частиц. Но есть и другие процессы, которые тоже выглядят как резонансы, но не связаны с рождением новых частиц. Такие же эффекты могут наблюдаться при взаимодействии уже известных частиц, рождающихся в реакции (так называемое взаимодействие в конечном состоянии) . Например, на коллайдере ВЭПП-2000 в процессе электрон-позитронной аннигиляции можно наблюдать резонанс, который появляется из-за взаимодействия протона и антипротона. Изучение таких эффектов не менее важно, чем изучение рождения новых частиц, потому что так мы получаем информацию о свойствах в данном случае протонов, о промежуточных частицах – в общем, извлекаем дополнительные сведения, которые другими способами просто не получить».
В течение нескольких лет физики ИЯФ СО РАН разрабатывали теоретическую модель, которая описывает практически все взаимодействия частиц в конечном состоянии в условиях сильного взаимодействия. В основе феноменологической теории – экспериментальные данные, полученные на коллайдерах ВЭПП-2000 (Россия), Belle II (Япония), BES III (Китай).
«Сложно сказать в процентах, сколько частиц от общего числа, участвующих в сильных взаимодействиях, включает наша концепция, потому что всегда неожиданно могут появиться новые, – добавил Сергей Сальников. – Но если считать по пальцам, то мы рассматривали пять условно разных процессов взаимодействий: протон-антипротон, лямбда-антилямбда, лямбда-С-антилямбда-C, D-мезон-анти-D-мезон, B-мезон-анти-B-мезон. На примете есть еще разные задачи на будущее, а когда в ИЯФ СО РАН построят коллайдер ВЭПП-6, то обязательно появится что-то новое для изучения. Если говорить о вкладе в уже существующие эксперименты, например, в своей работе, посвященной B-мезонам, мы обратили внимание, что взаимодействие в конечном состоянии у заряженных и нейтральных частиц устроено по-разному. Для заряженных мезонов присутствует кулоновское притяжение, которое влияет на корректное измерение массы этих частиц. В недавнем международном эксперименте Belle II, в котором ИЯФ СО РАН принимает участие, наши коллеги учли этот момент и, проведя сложную обработку данных, получили более точное измерение разницы масс заряженных и нейтральных B-мезонов».