Fizycy pracujący przy Wielkim Zderzaczu Hadronów zaobserwowali trzy nigdy wcześniej nie widziane cząstki: nowy rodzaj pentakwarku i pierwszą w historii parę tetrakwarków, która obejmuje nowy rodzaj tetrakwarków. Odkrycia te pomogą fizykom lepiej zrozumieć strukturę materii we Wszechświecie oraz to, w jaki sposób kwarki grupują się w bardziej złożone struktury.
W ramach eksperymentu LHCb (Large Hadron Collider beauty), który jest jednym z czterech dużych eksperymentów przy Wielkim Zderzaczu Hadronów, uczeni rekonstruują właściwości cząstek na podstawie produktów ich rozpadu. Niedawne analizy danych z eksperymentów sprzed modernizacji akceleratora cząstek, czyli sprzed ponad trzech lat, doprowadziły do odkrycia nowego sposobu grupowania się kwarków, najmniejszych cząstek znanych ludzkości.
Kwarki
Wszystko, co nas otacza, składa się z elementarnych cząstek zwanych kwarkami i leptonami, które mogą się łączyć, tworząc większe cząstki, takie jak protony. Model standardowy, którego fizycy używają do opisania wszystkich znanych cząstek elementarnych we Wszechświecie oraz sił, przez które oddziałują, 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). Te egzotyczne hadrony zostały przewidziane przez teoretyków w tym samym czasie, co konwencjonalne hadrony, około sześćdziesiąt lat temu, ale dopiero stosunkowo niedawno, w ciągu ostatnich 20 lat, zostały zaobserwowane w Wielkim Zderzaczu Hadronów.
Większość egzotycznych hadronów odkrytych w ciągu ostatnich dwóch dekad to tetrakwarki lub pentakwarki zawierające kwark powabny i antykwark powabny, a pozostałe dwa lub trzy kwarki to kwark górny, dolny lub dziwny lub ich antykwarki. Jednak w ciągu ostatnich lat fizycy odkryli różne rodzaje egzotycznych hadronów. Dwa lata temu odkryto tetrakwark składający się z dwóch kwarków powabnych i dwóch antykwarków powabnych. Potem badacze zidentyfikowali dwa tetrakwarki składające się z antykwarka powabnego, górnego, dolnego i dziwnego. W zeszłym roku odkryto pierwszy tetrakwark z dwoma kwarkami powabnymi oraz antykwarkiem górnym i dolnym.
Nowe odkrycia
Teraz fizycy pracujący przy eksperymencie LHCb poinformowali o odkryciu nowego rodzaju egzotycznych hadronów. Analizując rozpady ujemnie naładowanych mezonów B, uczenie znaleźli dowody na istnienie pentakwarku składającego się z kwarka powabnego i antykwarka powabnego oraz kwarka górnego, dolnego i dziwnego. Jest to pierwszy pentakwark, o którym wiadomo, że zawiera kwark dziwny.
Badacze odkryli także tetrakwark, który zbudowany jest z kwarka powabnego, antykwarka dziwnego, kwarka górnego i antykwarka dolnego. Ten tetrakwark został zauważony w połączeniu z jego neutralnym odpowiednikiem, który ma kwark powabny, antykwark dziwny, antykwark górny i kwark dolny. Jest to pierwszy przypadek zaobserwowania pary tetrakwarków.
– Im więcej analiz wykonujemy, tym więcej rodzajów egzotycznych hadronów znajdujemy – mówi koordynator eksperymentu LHCb Niels Tuning. – Jesteśmy świadkami okresu odkryć podobnego do lat 50. XX wieku, kiedy zaczęto odkrywać „zoo cząstek elementarnych”. Teraz tworzymy „zoo cząstek elementarnych 2.0” – dodaje.
– Znalezienie nowych rodzajów tetrakwarków i pentakwarków oraz zmierzenie ich właściwości pomoże teoretykom w opracowaniu ujednoliconego modelu egzotycznych hadronów, których dokładna natura jest w dużej mierze nieznana. Pomoże to również lepiej zrozumieć konwencjonalne hadrony – mówi rzecznik LHCb, Chris Parkes.
Podczas gdy niektóre modele teoretyczne opisują egzotyczne hadrony jako pojedyncze jednostki ściśle związanych kwarków, inne modele przedstawiają je jako pary standardowych hadronów luźno związanych w cząsteczkowej strukturze. Dopiero kolejne badania egzotycznych hadronów pokażą, czym te cząstki są.
Źródło i fot.: CERN