Wielki Zderzacz Hadronów odkrył „długowieczną” cząstkę
Nowo odkryty tetrakwark (egzotyczny hadron) zawiera dwa kwarki powabne oraz antykwark górny i dolny. To najdłużej „żyjąca” cząstka materii egzotycznej, jaką kiedykolwiek odkryto.
Eksperyment LHCb, który przeprowadzono w Wielkim Zderzaczu Hadronów znajdującym się w ośrodku naukowo-badawczym CERN pod Genewą, pozwolił dodać nową cząstkę do rodziny materii egzotycznej. W ciągu ostatnich siedmiu lat eksperyment LHCb wykrył około tuzina rodzajów egzotycznych cząstek składających się z czterech kwarków zwanych tetrakwarkami lub pięciu kwarków zwanych pentakwarkami. Nowo odkryty tetrakwark jest zdecydowanie najbardziej stabilną egzotyczną cząstką, jaką dotąd odkryto – tetrakwark „żyje” co najmniej 10 razy dłużej niż inne formy egzotycznej materii. Zawdzięcza swoją stabilność wyjątkowym kwarkom – dwóm ciężkim kwarkom „czarnym” i dwóm lekkim antykwarkom. Nie jest jednak jeszcze jasne, jak dokładnie zbudowany jest ten obiekt. Ustalenie tego pomoże fizykom jądrowym lepiej zrozumieć wewnętrzne mechanizmy większych jąder atomowych, które są zbyt złożone, aby można je było opisać podstawowymi prawami fizyki.
Kwarki to punktowe, fundamentalne cząstki, które znajdują się wewnątrz hadronów, takich jak protony i neutrony. Większość hadronów składa się z dwóch lub trzech kwarków. W 2014 roku eksperyment LHCb potwierdził istnienie tetrakwarków (a później pentakwarków). Od czasu tego rewolucyjnego odkrycia LHCb i inne eksperymenty kontynuowały poszukiwanie nowych tetrakwarków i pentakwarków, z których każdy charakteryzował się odrębną konfiguracją wewnętrzną.
Eksperyment LHCb poszukuje nowych form materii w zderzeniach generowanych przez Wielki Zderzacz Hadronów. Trudno jest dokładnie zaobserwować, co się dzieje, gdy dwa protony zderzają się w LHC. Wiadomo, że kwarki są uwalniane z protonów i przepływają przez bulion gluonów. Gluony to cząsteczki przenoszące siły, które „sklejają” kwarki. Ponieważ kwarki nie mogą istnieć samodzielnie przez długi czas, spontanicznie tworzą więcej par kwark – antykwark z bulionu gluonowego. Jeśli kwarki zbliżą się do siebie wystarczająco blisko, mogą się ze sobą wiązać i tworzyć rzadkie hadrony. Rzadkie hadrony rozpadają się na bardziej stabilne produkty uboczne, które są wychwytywane i rejestrowane przez detektor LHCb. Te odkrycia pozwalają naukowcom dowiedzieć się więcej o tym, co powstało podczas zderzenia. Śledząc drogę powstawania produktów ubocznych w odwrotnym kierunku, czyli niejako cofająć się w czasie aż do momentu ich powstania, naukowcy mogą określić właściwości oryginalnej cząstki.
Długi czas życia nowego tetrakwarka oznacza, że po raz pierwszy naukowcy mogą precyzyjnie zmierzyć masę egzotycznego hadronu. Trudno to zrobić z jego krwewniakami, czyli innymi krócej "żyjącymi" hadronami. Zasada nieoznaczoności Heisenberga (zasada mechaniki kwantowej) głosi, że niemożliwe jest dokładne poznanie wielu atrybutów obiektu kwantowo-mechanicznego w tym samym czasie. Na przykład, jeśli dokładnie znana jest pozycja cząstki, pęd pozostanie w dużej mierze tajemnicą. To samo dotyczy czasu "życia" cząstki i jej masy. A zatem, jeśli cząstka rozpada się szybko, łączy się to z dużą niepewnością dotyczą jej masy. Jeśli cząsteczka jest bardziej stabilna, wtedy jest większa szansa na określenie jej masy.
Dokładny pomiar masy tetrakwarku odpowie na pytanie, z którym fizycy zmagają się od czasu odkrycia pierwszego egzotycznego hadronu: jak wiążą się ze sobą kwarki? Czy są w ciasnej bryle, czy też bardziej przypominają luźną cząsteczkę złożoną z dwóch par kwarków? A może nawet jest coś pomiędzy?
Egzotyczne formy materii mogą być brakującym ogniwem w naszym rozumieniu znacznie bardziej zwyczajnej formy materii, jakim jest jądro atomowe.
Opracowano na podstawie:
LHCb discovers longest-lived exotic matter yet
LHCb discovers a new type of tetraquark at CERN
