Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Raport opisujący to odkrycie ukazał się na łamach czasopisma „Physical Review Letters”.

– Pentakwark to nie tylko nowa cząstka – powiedział Guy Wilkinson, rzecznik eksperymentu LHCb. – To sposób agregacji (łączenia) kwarków, czyli fundamentalnych składników protonów i neutronów, w układ, jakiego nie zaobserwowano dotąd w pięćdziesięcioletnich badaniach nad tymi cząstkami. Badanie ich właściwości pomoże nam lepiej zrozumieć, jak jest skonstruowana materia – protony i neutrony, z których wszyscy jesteśmy zbudowani.

Nasze zrozumienie struktury materii zrewolucjonizował w 1964 roku amerykański fizyk, Murray Gell-Mann, który zaproponował kategorię cząstek zwanych barionami (protonów lub neutronów), złożonych z trzech obiektów o ułamkowym ładunku zwanych kwarkami oraz inną kategorię – mezonów, składających się z par kwark-antykwark. Za to odkrycie Murray Gell-Mann otrzymał w 1969 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Ten model kwarkowy pozwala również na istnienie innych stanów kompozytowych kwarków, takich jak pentakwarki, składające się z czterech kwarków i jednego antykwarka. Do tej pory nie mieliśmy jednak dowodów na ich istnienie.   

Naukowcy z eksperymentu LHCb szukali stanów pentakwarkowych, badając rozkład barionu zwanego Λ_b (Lambda b) na trzy inne cząstki: J/ψ- (J-psi), proton i naładowany kaon. Obserwacja widma masy układu dwóch z tych cząstek pokazała, że tworzy on czasami pośrednie stany związane. Zostały one nazwane Pc(4450)+ oraz Pc(4380)+.

– Korzystanie z ogromnej ilości danych dostarczonych przez akcelerator LHC i doskonała precyzja naszego detektora pozwoliły na przebadanie wszystkich możliwości tych sygnałów i doszliśmy do wniosku, że mogą być wytłumaczone jedynie przez istnienie pentakwarków – tłumaczy fizyk LHCb z amerykańskiego Uniwersytetu Syracuse, Tomasz Skwarnicki. – A dokładniej, zaobserwowane stany muszą się składać z dwóch kwarków górnych, jednego dolnego, jednego powabnego i jednego antypowabnego.

Wcześniejsze eksperymenty, których celem było poszukiwanie pentakwarków, okazały się niejednoznaczne. Eksperyment LHCb różni się tym, że był w stanie szukać pentakwarków z różnych perspektyw, dochodząc do tych samych wniosków.

– To tak, jakbyśmy podczas poprzednich poszukiwań szukali sylwetki w ciemności, natomiast podczas eksperymentu LHCb prowadzone są poszukiwania z włączonymi światłami świecącymi ze wszystkich stron. Kolejnym krokiem będzie zbadanie, jak kwarki w pentakwarkach są ze sobą połączone.

– Kwarki mogą być albo ściśle związane – powiedział fizyk z eksperymentu LHCb, Liming Zhang z Tsinghua University – lub mogą być połączone luźno w czymś w rodzaju cząsteczki barionowo-mezonowej, związanej szczątkowym oddziaływaniem silnym, podobnym do tego, które wiąże protony i neutrony, tworząc jądra atomowe.

Konieczne są dalsze badania, które być może zdradzą kolejne tajemnice pentakwarków. Nowe dane będą zbierane podczas drugiego etapu prac LHC. 

Opracowano na podstawie komunikatu prasowego CERN: „CERN’s LHCb experiment reports observation of exotic pentaquark particles”