Profesor Tomasz Skwarnicki odkrył nieznane dotąd pentakwarki, z których każdy dzieli się na dwie części. Jego odkrycia mogą doprowadzić do lepszego zrozumienia struktury materii we Wszechświecie.
Wszystko, co nas otacza, składa się z elementarnych cząstek zwanych kwarkami i leptonami, które mogą się łączyć, tworząc większe cząstki, takie jak protony lub atomy. Model standardowy wyróżnia sześć typów kwarków. Są to kwarki górne (u), dolne (d), dziwne (s), powabne (c), piękne lub niskie (b) i prawdziwe lub wysokie (t), przy czym każdy rodzaj ma także swój antymaterialny odpowiednik (często oznaczany poziomą kreską nad literą, czytaną jako „bar”).
Zgodnie ze współczesną wiedzą, kwarki są najważniejszymi niepodzielnymi cegiełkami, z których składa się materia. Na ogół tworzą się w parach kwark-antykwark. Są cząstkami ekstremalnie towarzyskimi: niemal natychmiast po powstaniu wiążą się w hadrony, czyli zespoły dwóch, trzech, a niekiedy i więcej kwarków bądź antykwarków, spajanych za pomocą gluonów (czyli cząstek przenoszących silne oddziaływania jądrowe). Proces łączenia się kwarków/antykwarków w kompleksy to tzw. hadronizacja.
Zgodnie z modelem Murray’a Gell-Manna istnieją dwie szerokie klasy hadronów. Jedną z nich są cząstki składające się z trzech kwarków zwane barionami (w tym protony i neutrony tworzące jądro atomowe). Drugą są nietrwałe hadrony zbudowane z pary kwark-antykwark nazywane mezonami.
Do niedawna bariony i mezony były jedynymi typami hadronów, które obserwowano w eksperymentach. Jeszcze w latach sześćdziesiątych Gell-Mann postulował możliwość istnienia bardziej egzotycznych kombinacji kwarków, takich jak tetrakwarki (dwa kwarki i dwa antykwarki) i pentakwarki (cztery kwarki i jeden antykwark).
W 2014 roku analizy dziesiątków tysięcy rozpadów mezonów przeprowadzonych w eksperymencie LHCb w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN potwierdziły istnienie tetrakwarków. Rok później ogłoszono odkrycie pierwszego w historii pentakwarka, dodając zupełnie nową klasę cząstek do rodziny hadronów. W pracach tych brał udział profesor Skwarnicki.
Teraz naukowcy pracujący w CERN ogłosili odkrycie trzech takich cząstek. Było to możliwe dzięki dużej ilości nowych danych zarejestrowanych podczas drugiego uruchomienia Wielkiego Zderzacza Hadronów.
- Mamy teraz dziesięć razy więcej danych niż w 2015 roku, co pozwala nam zobaczyć bardziej ekscytujące i subtelniejsze struktury niż wcześniej – powiedział Liming Zhang z Tsinghua University w Pekinie, który współpracował ze Skwarnickim.
Kiedy fizycy zbadali oryginalny pentakwark odkryty w 2015 roku, byli zaskoczeni, że podzielił się na dwie części. Okazało się, że ten pentakwar był w rzeczywistości dwoma pentakwarkami, które miały podobne masy i wyglądały jak pojedyncza cząstka. Dodatkowo badacze znaleźli trzeci pentakwark o nieco mniejszej masie niż pozostałe dwa.
Ale jaka jest dokładna struktura wewnętrzna tych pentaquarków? Jedną z opcji jest to, że są one rzeczywiście wykonane z pięciu kwarków, z których wszystkie są wymieszane równomiernie w jednym hadronie. Jednego kwarku dolnego, dwóch górnych, kwarka powabnego i antykwarka powabnego. Inną możliwością jest to, że pentakwarki są tak naprawdę barionem i mezonem sklejonym razem, tworząc luźno związaną cząstkę, podobnie jak protony i neutrony łączą się w jądrze atomowym.
Skwarnicki przyznał, że najbardziej prawdopodobną opcją jest to, że te pentakwarki są cząstkami barionowo-mezonowymi, choć by mieć całkowitą pewność, fizycy będą potrzebować więcej danych eksperymentalnych, a także dalszych badań teoretycznych.
- Do tej pory sądziliśmy, że pentakwarki składają się z pięciu kwarków połączonych razem. Nasze odkrycia dowodzą, że jest inaczej - przyznał Skwarnicki.
W każdym z tych trzech pentakwarków unikatowe jest to, że ich masa jest nieco niższa niż suma mas ich części - w tym przypadku mas barionu i mezonu.
- Pentakwarki mogą nie odgrywać istotnej roli w materii, z której jesteśmy zbudowani, ale ich istnienie może znacząco wpłynąć na nasze modele materii występującej w innych częściach Wszechświata, jak chociażby w gwiazdach neutronowych – stwierdził Skwarnicki.
Profesor Tomasz Skwarnicki mieszka w Stanach Zjednoczonych już od ponad 20 lat. Obecnie zatrudniony jest na Syracuse University, ale początki jego kariery naukowej związane są z Polską. Studiował fizykę na Uniwersytecie Jagiellońskim, a doktorat zrobił w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie.
Źródło: The Conversation, CERN, fot. Daniel Dominguez/CERN
