На основе результатов проведенных недавно сложнейших вычислений по моделированию квантовой хромодинамики (QCD), выполненных на высокопроизводительном суперкомпьютере K Computer, группа японских ученых из HAL QCD Collaboration, RIKEN iTHEMS, а также ряда других университетов выдвинула гипотезу о существовании экзотической элементарной частицы — дибариона. Данная частица характеризуется наличием шести кварков в структуре, в отличие от стандартных частиц, состоящих из трех компонентов. Дальнейшее изучение этого явления позволит глубже понять механизмы взаимодействия элементарных частиц в экстремальных условиях, таких как материя нейтронных звезд или состояние Вселенной в первые секунды после Большого взрыва.

Элементарные частицы, известные как барионы, к которым относятся протоны и нейтроны, состоят из связанных друг с другом трех кварков различных типов, называемых в науке “ароматом”. Дибарион, по сути, является частицей, содержащей два бариона, и единственным известным людям дибарионом является ядро дейтерия. Но уже достаточно давно ученые задавались вопросом о возможности существования и других типов дибарионов.

Японские исследователи использовали мощные теоретические и вычислительные методы для предсказания возможности существования самого необычного вида дибариона, состоящего из двух Омега-барионов, которые состоят, в свою очередь, из трех странных кварков каждый. Этот дибарион получил название Di-Omega, и его поиски японские исследователи предлагают начать со столкновений ионов тяжелых элементов, которые будут проводиться в рамках экспериментов, уже запланированных в Японии и Европе.

Данное открытие было сделано, благодаря комбинации самых современных методов QCD-вычислений, наилучших алгоритмов моделирования и мощного суперкомпьютера. Ключевым моментом всего этого является теория, имеющая название “time-dependent HAL QCD method”, математические методы, основанные на этой теории, позволяют ученым рассчитать силы взаимодействия между частицами-барионами. Вторым ключевым моментом стал новый алгоритм, который позволил существенно сократить количество вычислений при построении модели системы с большим количеством кварков в ее составе.

Отметим, что даже с учетом использования оптимизированных алгоритмов, поиски частицы Di-Omega заняли три с половиной года. И в скором времени мощности суперкомпьютера K Computer могут потребоваться для поиска следов присутствия следов экзотических дибарионов в огромных наборах данных, полученных в результате столкновений ядер тяжелых элементов.

Для любознательных

Цели изучения дибарионов — и в России, и в мире — охватывают как фундаментальные, так и прикладные задачи.

Фундаментальные цели

• Понять, как кварки связываются в адроны. Дибарионы — это системы из шести кварков, и их изучение помогает разобраться, как сильное взаимодействие «склеивает» кварки не только в тройки (как в протонах и нейтронах), но и в более крупные конфигурации. Это напрямую связано с квантовой хромодинамикой (КХД) — теорией сильных взаимодействий.
• Уточнить природу нуклон‑нуклонного взаимодействия. Например, дибарион d∗(2380)d^*(2380)d∗(2380) может быть важным компонентом ядерных сил: он способен менять представление о том, как протоны и нейтроны взаимодействуют друг с другом в ядрах.
• Проверить и развить теоретические модели. Существование дибарионов и их свойства служат «тестом» для разных подходов: от феноменологических моделей до расчётов на решётках (lattice QCD). Если теория предсказывает дибарион, а эксперимент его не находит (или наоборот), это указывает на пробелы в понимании физики.
• Искать физику за пределами Стандартной модели. Экзотические состояния, в том числе дибарионы с необычными кварковыми составами (например, с очарованными или прелестными кварками), могут проявлять отклонения от предсказаний Стандартной модели или указывать на новые типы взаимодействий.

Практические и междисциплинарные цели

• Объяснить структуру и свойства атомных ядер. Понимание дибарионных вкладов помогает точнее моделировать ядра, их стабильность и реакции. Это важно для ядерной физики и астрофизики (например, для описания вещества в нейтронных звёздах).
• Связать микромир с космологией. Дибарионные состояния и барион‑барионные взаимодействия играют роль в нуклеосинтезе — процессе образования ядер в ранней Вселенной. Более точные модели помогают лучше интерпретировать данные космологии.
• Развивать вычислительные методы. Расчёты свойств дибарионов (особенно на решётках КХД) требуют огромных вычислительных ресурсов и продвинутых алгоритмов. Такие проекты стимулируют развитие суперкомпьютерных технологий и численных методов.
• Улучшить детекторы и методики. Из‑за очень короткого времени жизни дибарионов (порядка 10−2310^{-23}10−23 с) для их поиска нужны высокоточные детекторы, точная реконструкция событий и сложные методы анализа (спектры недостающих масс, угловые корреляции и т. п.). Разработка этих подходов полезна и для других направлений физики частиц.

Конкретные примеры

• Поиск H‑дибариона в эксперименте ALICE на LHC нужен, чтобы понять, как ведут себя странные кварки в многокварковых системах и как это влияет на ядерную материю при экстремальных температурах и плотностях (кварк‑глюонная плазма).
• Изучение коллаборацией WASA‑at‑COSY помогает уточнить модели нуклон‑нуклонных взаимодействий и проверить, является ли эта частица истинным шестикварковым состоянием или чем‑то иным.
• Предсказания прелестных дибарионов нужны, чтобы исследовать, как тяжёлые кварки формируют связанные состояния и насколько сильно они могут быть связаны — это даёт уникальные тесты КХД в режиме тяжёлых кварков.

В России

• Томский политехнический университет (ТПУ). В Исследовательской школе физики высокоэнергетических процессов под руководством профессора Александра Фикса ведут работы по поиску дибарионов. Учёные получили российско-немецкие гранты (совместно с Немецким научно-исследовательским сообществом, DFG) для экспериментов, которые должны либо подтвердить, либо поставить под сомнение существующие гипотезы. Идея в том, чтобы использовать интенсивный поляризованный фотонный пучок на ускорителе (планировалось проводить опыты в Институте ядерной физики Университета Майнца, Германия). news.tpu.ru +1
• ОИЯИ (Объединённый институт ядерных исследований, Дубна). Сотрудники института участвуют в международных коллаборациях, где тоже затрагиваются вопросы поиска экзотических состояний, включая дибарионы. ru.wikipedia.org* +1
• Другие центры. В исследованиях также задействованы специалисты из НИЯУ МИФИ, ИЯИ РАН, НИЦ «Курчатовский институт» — в том числе в рамках международных проектов. nrcki.ru +1

В мире

• Коллаборация WASA-at-COSY. Именно эта группа в 2014 году объявила об открытии первого экспериментально подтверждённого дибариона — d*(2380) (его также обозначают как d(2380)). Наблюдения делали на детекторе WASA в синхротроне COSY.
• Эксперимент ALICE на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН). Учёные из международной коллаборации ALICE целенаправленно ищут экзотические дибарионы (в том числе так называемый дважды странный H-дибарион с кварковым составом uuddss) в продуктах столкновений тяжёлых ионов. Хотя в ряде анализов такие частицы не обнаружили, сам поиск помогает проверять теоретические модели. В коллаборации активно участвуют исследователи из разных стран. nplus1.ru +2
• Теоретические группы. Во многих научных центрах (например, в японском RIKEN, в Университете Осака, в Институте фундаментальных исследований Тата в Индии) физики-теоретики строят модели и проводят сложные расчёты (в том числе на суперкомпьютерах), чтобы предсказать возможные типы дибарионов. Например, в 2023 году теоретики предсказали существование прелестного дибариона D6b, состоящего из двух омега-гиперонов (Ωbbb). ru.wikipedia.org* +4

С какими сложностями сталкиваются

Искать дибарионы непросто: у них крайне малое время жизни (для d(2380) это порядка 10⁻²³ секунд). Поэтому физики применяют хитрые методы — например, анализируют спектр «недостающих масс» или изучают угловое распределение частиц, которые получаются при распаде искомой частицы.

В целом сейчас это активно развивающаяся область: теория предлагает новые варианты, а эксперименты их проверяют.