Naukowcy pracujący przy Wielkim Zderzaczu Hadronów odkryli nową, nigdy wcześniej niewidzianą cząstkę, złożoną z czterech ciężkich kwarków powabnych. Tetrakwark, bo o nim mowa, może należeć do nieznanej dotąd klasy cząstek.
O przełomie donieśli uczeni pracujący przy eksperymencie LHCb (Large Hadron Collider Beauty). Odkrycie to pomoże fizykom lepiej zrozumieć kwarki, rodzaj niepodzielnej cząstki elementarnej, która jest podstawowym budulcem całej materii. Wyniki badań nad pierwszą z nieodkrytej dotąd klasy cząstek ukazały się w bazie pre-printów arXiv.
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 – antykwark (często oznaczany poziomą kreską nad literą, czytaną jako „bar”).
Zgodnie z obecną 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, który jako pierwszy zaproponował istnienie kwarków, 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 Tomasz Skwarnicki, zatrudniony obecnie przez Syracuse University, ale zaczynający karierę na Uniwersytecie Jagiellońskim - doktorat zrobił w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie.
Teraz naukowcy z LHCb poinformowali o odkryciu tetrakwarka składającego się czterech kwarków tego samego typu, kwarków powabnych.
Te cząstki wykonane z niezwykłych kombinacji kwarków są idealnym „laboratorium” do badania jednej z czterech znanych podstawowych sił natury, oddziaływania silnego wiążącego protony, neutrony i jądra atomowe, które tworzą materię. Szczegółowa wiedza na temat silnych interakcji jest również niezbędna do ustalenia, czy nowe, nieoczekiwane procesy są oznaką nowej fizyki.
- Cząstki złożone z czterech kwarków już są egzotyczne, a ten, który właśnie odkryliśmy, jest pierwszym, który składa się z czterech ciężkich kwarków tego samego typu - dwóch kwarków powabnych i dwóch antykwarków powabnych - powiedział ustępujący rzecznik LHCb Giovanni Passaleva. - Do tej pory LHCb i inne eksperymenty obserwowały tylko tetrakwarki z najwyżej dwoma ciężkimi kwarkami i żadnego z więcej niż dwoma kwarkami tego samego typu – dodał. W eksperymencie LHCb pracuje ponad 1400 osób z 19 krajów.
- To odkrycie otwiera kolejny ekscytujący rozdział, umożliwiając nam zbadanie naszej teorii w ekstremalnym przypadku. A nowo odkryta cząstka jest jak najbardziej ekstremalnym przypadkiem. To egzotyczny hadron, zawierający cztery kwarki zamiast dwóch lub trzech. Badanie tego ekstremalnego systemu pozwoli naukowcom przetestować nasze teorie w warunkach skrajnych. Poprzez badanie tej cząstki przetestujemy naszą teorię łączenia kwarków, która również rządzi protonami i neutronami. Mamy nadzieję, że w przyszłości odkryjemy kolejne cząstki w tej klasie – powiedział nowy rzecznik LHCb, Chris Parkes z University of Manchester.
W podziemnym tunelu o długości 27 kilometrów w ośrodku CERN koło Genewy, przyspieszane do ogromnych prędkości i zderzane ze sobą są wiązki protonów, by uwolnić ekstremalne poziomy energii. Wyniki tych kolizji rejestrowane są za pomocą detektorów cząstek elementarnych. To pozwala naukowcom badać świat w bardzo małych skalach - nieuchwytne elementy, z których zbudowane jest wszystko, co nas otacza. I tak właśnie natknięto się na nieznaną dotąd cząstkę.
Nowy tetrakwark został dostrzeżony w danych z eksperymentów prowadzonych w latach 2009–2013 i 2015–2018. Uczeni dostrzegli go jako nadmiar zdarzeń na wykresach ze zderzeń w akceleratorze. W publikacji nadali mu roboczą nazwę X(6900). Nazwa odnosi się do masy cząstki – nowy tetrakwark ma masę 6900 MeV (megaelektronowoltów).
Podobnie jak w przypadku poprzednich odkryć tetrakwarków, nie jest całkowicie jasne, czy nowa cząstka jest prawdziwym tetrakwarkiem, to znaczy układem czterech ściśle powiązanych ze sobą kwarków, czy też parą dwóch kwarków słabo związanych w strukturze molekularnej. Będzie trzeba to rozstrzygnąć na drodze dalszych badań.
To przełomowe odkrycie może pomóc naukowcom w zrozumieniu złożonych sposobów, w jakie kwarki łączą się ze sobą.
Źródło i fot.: CERN
