W CERN odkryto trzy nowe egzotyczne cząstki
Naukowcy współpracujący przy eksperymencie LHCb (ang. Large Hadron Collider beauty) „zaobserwowali” nowy rodzaj pentakwarków i po raz pierwszy w historii parę tetrakwarków. Eksperyment LHCb ma na celu odkrycie, co wydarzyło się po Wielkim Wybuchu, który pozwolił materii zbudować Wszechświat, jaki znamy dzisiaj. LHCb to jeden z ośmiu eksperymentów z dziedziny fizyki cząstek elementarnych zbierających dane w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN.
Międzynarodowy zespół naukowców współpracujących w eksperymencie LHCb w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) zaobserwował trzy nigdy wcześniej nie widziane cząstki – to nowy rodzaj pentakwarków i pierwszą w historii parę tetrakwarków, która obejmuje nowy rodzaj tetrakwarków. Odkrycia, zaprezentowane 4 lipca 2022 roku na seminarium CERN, dopisują trzech nowych egzotycznych członków do rosnącej listy nowych hadronów odkrytych w LHC. Pomogą fizykom lepiej zrozumieć, w jaki sposób kwarki łączą się w te cząstki złożone.
Kwarki są cząstkami elementarnymi silnie oddziałującymi. Ze względu na swoje właściwości zostały podzielone na kwarki: górny, dolny, dziwny, powabny, niski piękny, wysoki prawdziwy. Zwykle łączą się w grupy dwójek i trójek, tworząc hadrony, takie jak protony i neutrony, które tworzą jądra atomowe. Rzadziej mogą również łączyć się w cząstki czterokwarkowe i pięciokwarkowe, czyli tetrakwarki i pentakwarki. Istnienie tych egzotycznych hadronów zostało przewidziane przez fizyków teoretyków około sześćdziesiąt lat temu, ale dopiero stosunkowo niedawno, w ciągu ostatnich 20 lat, zostały zaobserwowane przez LHCb i inne eksperymenty.
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. W ciągu ostatnich dwóch lat LHCb odkrył różne rodzaje egzotycznych hadronów. Dwa lata temu odkryto tetrakwark składający się z dwóch kwarków powabnych i dwóch antykwarków powabnych oraz dwóch tetrakwarków tzw. otwartych, składających się z antykwarka powabnego, górnego, dolnego i dziwnego. W 2021 roku odkryto pierwszy w historii przypadek tetrakwarku podwójnego otwartego powabu z dwoma kwarkami powabnymi oraz antykwarkiem górnym i dolnym. Otwarty powab oznacza, że cząstka zawiera kwark powabny bez równoważnego antykwarku.
Odkrycia ogłoszone 4 lipca 2022 roku przez zespół naukowców z kolaboracji LHCb obejmują nowe rodzaje egzotycznych hadronów. Pierwszy rodzaj, zaobserwowany w analizie „rozpadów” ujemnie naładowanych mezonów B, to pentakwark składający się z kwarku powabnego i antykwarku powabnego oraz kwarka górnego, dolnego i dziwnego. Jest to pierwszy pentakwark, w którym znaleziono dziwny kwark. Odkrycie ma ogromną statystyczną istotność wynoszącą 15 odchyleń standardowych, daleko poza 5 odchyleniami standardowymi, które są wymagane do stwierdzenia obserwacji cząstki w fizyce cząstek elementarnych.
Drugi rodzaj to podwójnie naładowany elektrycznie tetrakwark. Jest to tetrakwark powabny otwarty złożony z kwarku powabnego, antykwarka dziwnego oraz kwarka górnego i antykwarka dolnego, który został dostrzeżony wraz ze swoim neutralnym odpowiednikiem we wspólnej analizie rozpadów dodatnio naładowanych i neutralnych mezonów B. Nowe tetrakwarki, obserwowane z istotnością statystyczną 6,5 (cząstka podwójnie naładowana) i 8 (cząstka neutralna) odchylenia standardowego, stanowią pierwszy przypadek zaobserwowania pary tetrakwarków.
– Im więcej analiz wykonujemy, tym więcej rodzajów egzotycznych hadronów znajdujemy – powiedział koordynator LHCb, Niels Tuning. – Jesteśmy świadkami okresu odkryć podobnego do lat 50. XX wieku, kiedy zaczęto odkrywać cząstkeczkowe „zoo” hadronów, co ostatecznie doprowadziło do powstania modelu kwarków konwencjonalnych hadronów w latach 60. XX wieku. Tworzymy cząsteczkowe „zoo 2.0”.
– Znalezienie nowych rodzajów tetrakwarków i pentakwarków oraz zmierzenie ich właściwości pomoże teoretykom opracować ujednolicony model egzotycznych hadronów, których dokładna natura jest w dużej mierze nieznana – powiedział rzecznik LHCb, Chris Parkes. – Pomoże to również lepiej zrozumieć konwencjonalne hadrony.
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, który model jest prawdziwy – pierwszy, drugi czy oba.
Opracowano na podstawie:
LHCb discovers three new exotic particles
