| | 14 апреля 2014 | Новости науки и техники
Открытие CERN экзотической частицы Z(4430) может произвести революцию в некоторых областях астрофизики
Недавно мы рассказывали об открытии физиками Европейской организации ядерных исследований CERN экзотической элементарной частицы Z(4430), состоящей из четырех кварков. Эта частица в четыре раза массивней протона, она имеет отрицательный электрический заряд и относится к классу теоретических частиц, известных, как тетраквакровые частицы. Несмотря на то, что исследования таких частиц находятся еще на самом раннем этапе, некоторые ученые считают, что сделанное открытие может оказать огромное влияние на некоторые области астрофизики, в частности на понимание процессов, происходящих в нейтронных звездах и в других экзотических космических объектах.
Вся материя в окружающем мире состоит из элементарных «кирпичиков», таких как лептоны, к которым относятся электроны и нейтрино, и кварки, из которых состоят протоны, нейтроны и другие частицы. Кварки отличаются от других частиц наличием «дробного» электрического заряда, который равен одной или двум третьим частям от заряда электрона или протона. Кроме этого кварки обладают другим видом заряда, который ученые называют цветом кварка. Подобно тому, как электрически заряженные частицы взаимодействуют между собой через электромагнитные силы, кварки, имеющие разные цвета, взаимодействуют при помощи сил сильных ядерных взаимодействий. И благодаря этим взаимодействиям частицы, из которых состоят ядра атомов, скрепляются в единое целое.
«Цветной» заряд кварка имеет более сложную природу, нежели простой электрический заряд, у которого может быть только два значения — положительный и отрицательный. Цветные заряды бывают трех основных типов, красного, зеленого, синего, и трех противоположных — антикрасного, антизеленого и антисинего.
Из-за участия сил сильных ядерных взаимодействий мы никогда не сможем наблюдать кварки в свободном состоянии. Сильные взаимодействия определяют то, что все кварки всегда группируются, формируя более крупные частицы, имеющие нейтральный цветной заряд. К примеру, протон состоит из трех кварков, двух верхних и одного нижнего, каждый из которых имеет различный цвет. Сумма красного, зеленого и синего цветов дает суммарный нейтральный белый цвет. И суммарный цвет любой другой известной частицы будет также нейтральным белым цветом.
Объединение трех кварков разных цветов является самым простым способом создания нейтральных частиц, известных как барионы. Протоны и нейтроны являются самыми распространенными представителями барионов. Но другим способом получения нейтрального цвета конечной частицы является объединения кварка с определенным цветом с кварком, имеющим противоположный цвет. К примеру, нейтральную частицу могут образовать кварки зеленого и антизеленого цветов. Такие частицы, состоящие из двух кварков, были обнаружены в 1947 году и известны как мезоны. К примеру, положительно заряженный пион состоит из верхнего кварка и верхнего антикварка.
По правилам сильных ядерных взаимодействий нейтральная частица может быть сформирована из четырех кварков, два из которых имеют определенные цвета, а оставшиеся являются антиподами первых двух. Такой подход позволяет допустить существование и совсем экзотических вариантов, таких как 3 цвета + 1 пара цвет-антицвет или три пары цвет-антицвет. Но такие частицы будут крайне нестабильными и они моментально распадутся на более простые барионы и мезоны.
Экспериментальное обнаружение нейтральных частиц-тетракварков служит подтверждением тому, что кварки действительно могут объединяться более сложными способами и процессы с участием таких сложных частиц могут происходить в недрах нейтронных звезд. Традиционная модель нейтронной звезды подразумевает то, что этот объект состоит исключительно из нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из трех кварков различного цвета. До последнего время считалось, что все процессы внутри нейтронных звезд определяются исключительно взаимодействием между нейтронами, но условия внутри нейтронных звезд и бушующие там энергии таковы, что там могут начать формироваться тетракварки и даже более сложные частицы — пентакварки и гексакварки. Некоторые ученые даже допускают то, что условия в недрах нейтронных звезд могут послужить причиной тому, что там существуют свободные кварки, не связанные в нейтральные цветные частицы. И это может привести к формированию гипотетических космических объектов, называемых кварковыми звездами.
Все высказанные выше мысли являются лишь гипотетическими предположениями. Но неоспоримые доказательства возможности существования тетракварков вынуждают ученых-астрофизиков пересматривать устоявшиеся теории и по-новому взглянуть на некоторые предположения, касающиеся нейтронных звезд, которые ранее считались полностью абсурдными.
