V Cernu odkrili nov sistem petih delcev

Veliki hadronski trkalnik v Cernu, največjem evropskem raziskovalnem središču za jedrske raziskave na obrobju Ženeve, že nekaj manj kot dve leti obratuje z bistveno povečano zmogljivostjo, a delcev, ki bi razbili teorijo standardnega modela fizike delcev, še ni odkril. To pa ne zmanjšuje entuziazma tisočev raziskovalcev, ki tam raziskujejo osnove našega obstoja. Nasprotno. Pred dnevi ga je znova okrepilo novo odkritje – nov sistem petih delcev.

Raziskovalci, sodelujoči v eksperimentu LHCb, ki poteka v velikem hadronskem trkalniku, so ga objavili na Cernovi spletni strani in pri tem poudarili, da je novi sistem petih delcev enkratno odkritje, ki je plod zgolj ene analize. »Izjemnost odkritja je v dejstvu, da opazovanje petih novih stanj poteka hkrati – torej gre za precej redek dogodek,« navaja obvestilo Cerna.

Kaj so Cernovi fiziki odkrili? Več informacij o tem je v posebnem članku, ki je še pred tiskom dosegljiv na strežniku asXiv. Ta obširno pojasnjuje namige o porušenju naboja barionov, ki so jih zasledili v eksperimentu LHCb. Zasledili so delce, ki so vzburjena stanja delca omega-c-zero (ali Ωc0), bariona, ki vsebuje dva nepravilna in en čarobni kvark.

»Iz analize poti trkov in energije, ki so jo ti delci pustili za seboj v detektorju, jim je v eksperimentu LHCb uspelo izslediti izvirni dogodek – razpad delca Ωc0 in njegova vzburjena stanja,« še piše v obvestilu. »Po standardni konvenciji imajo ti delci naslednja imena: Ωc(3000)0, Ωc(3050)0, Ωc(3066)0, Ωc(3090)0 in Ωc(3119)0.«

Pogled v naravo kvarkov

Kaj to pomeni, prevedeno v bolj laičen jezik? Predvsem, da so fiziki zaznali delec, imenovan barion. To je izmuzljiv delec, ki ga je zelo težko izmeriti. Prvič so ga sicer zaznali že lani, o čemer smo pisali tudi v Znanosti, vendar takrat razen tega, da obstaja, o njem niso odkrili ničesar drugega. Zdaj pa so Cernovi znanstveniki zaznali kar pet različic tega delca, ki ustrezajo petim različnim vzburjenim stanjem. Odkritje petih različic enega delca naenkrat se še nikoli prej ni zgodilo in utegne znanstvenikom odkriti veliko novega o barionih omega in o naravi kvarkov.

Ti so mali, temeljni delci, ki sestavljajo protone, nevtrone in barione in se kot skupina imenujejo hadroni. So v šestih različnih »okusih« oziroma lastnostih ali tipih. Večina hadronov je sestavljenih iz različnih kombinacij dveh ali treh kvarkov. Protoni, na primer, so sestavljeni iz dveh »gornjih« in enega »spodnjega« kvarka, »čarobni« barioni omega pa so iz enega »čarobnega« in dveh »nepravilnih« kvarkov. Vsak od njih ima ekvivalent v antimateriji, imenovan antikvark. Oboji, protoni in nevtroni, ki so v jedru atoma, so sestavljeni iz treh med seboj vezanih kvarkov.

Kvarki so nepredstavljivo majhni in jih je zato težko proučevati. Kot že rečeno, so tako šele lani prvič potrdili obstoj delcev s petimi kvarki, zdaj, v tem najnovejšem odkritju, pa so jih tudi nekoliko pojasnili. O obstoju delcev s petimi kvarki, pentakvarkov, so sicer znanstveniki ugibali že pol stoletja.

Namigi že pred pol stoletja

Prvi je njihov obstoj že leta 1964 predvidel ameriški fizik Murray Gell-Mann. Objavil je domnevo o obstoju skupine subatomskih delcev, barionov, sestavljenih iz protonov in nevtronov, ki so nadalje sestavljeni iz še manjših delcev, kvarkov. Domneval je, da obstaja skupina delcev, imenoval jih je mezoni, ki naj bi bili sestavljeni iz kvarkov in nasprotih partnerjev, antikvarkov. Svojo teorijo je kmalu potrdil z eksperimenti in zanjo že pet let pozneje dobil Nobelovo nagrado za fiziko.

Fiziki, ki so naprej razvijali Gell-Mannovo delo, so se dokopali do sklepa o obstoju še enih, še bolj eksotičnih delcev, sestavljenih iz štirih kvarkov in enega antikvarka. Poimenovali so jih pentakvarki. Toda čeprav so jih mrzlično iskali s poskusi v tako rekoč vseh vodilnih laboratorijih za fiziko delcev, niso prišli dlje od namigov, da obstajajo.

Več kot pol stoletja jim pentakvarka ni uspelo zaslediti. Ugotovili pa so, da so ti delci tako zelo izmuzljivi, da bi jih bilo mogoče tudi v največjih fizikalnih eksperimentih opaziti le po naključju.

Naključno odkritje

To se je tudi zgodilo v Cernu lani poleti. Pentakvark so sredi julija zasledili v eksperimentu LHCb, ki raziskuje razlike med materijo in antimaterijo in analizira nekatere kvarke. LHCb je sicer eden od štirih detektorjev v velikem hadronskem trkalniku, ki se razteza v 27 kilometrov dolgem krožnem predoru sto metrov pod zemljo na obrobju Ženeve. Prav tam so med letoma 2010 in 2012 odkrili Higgsov bozon, ki je Cernu in Petru Higgsu, ki ga je prvi napovedal, prinesel Nobelovo nagrado za fiziko.

Po tem zmagoslavju je bil veliki hadronski trkalnik dve leti v remontu. Inženirji so takrat temeljito obnovili njegove magnete, nato pa ga maja 2015 znova pognali – in si začeli obetati še bolj osupljive dosežke, saj se odtlej trki delcev v njem dogajajo z dvakrat večjo energijo in pri hitrosti, ki je zelo blizu svetlobni.

Teh za zdaj, z izjemo morda sedanjega, še ni. Tudi prve potrditve obstoja pentakvarka namreč ne morejo pripisati remontu trkalnika, kajti ta je izhajala iz dolgotrajne analize velikanske množice podatkov, ki so jih pridobili še pred remontom.

»V resnici pentakvarka nismo aktivno iskali, pač pa smo nanj naleteli bolj ali manj po naključju,« je takrat priznal Patrick Koppenburg, koordinator za fiziko v velikem hadronskem trkalniku.

Kot je pojasnil, so raziskovali, kako subatomski delci, znani kot barioni lambda B, razpadajo na tri delce in v tem procesu prehajajo v druge, vmesne delce. Ko so analizirali podatke iz teh trkov, so opazili špice, ki so nakazovale, da se barioni lambda B v procesu razpadanja na tri druge delce za hip ustavijo in preidejo v drugačno, vmesno stanje. To vmesno stanje naj bi bili pentakvarki.

Porajajo se nova vprašanja

Pentakvarke so v velikem hadronskem trkalniku opazili približno v istem obdobju, ko so zasledili Higgsov bozon, manjkajoči delec iz teorije standardnega modela. Ta omogoča maso materiji in na podlagi njegovega odkritja zdaj fiziki poskušajo odkriti temno snov, ki sestavlja večino našega vesolja. Podobno zdaj tudi odkritje pentakvarka odpira nove avenije razumevanja vesolja in načenja nova vprašanja.

Še vedno, na primer, ni povsem jasno, kako so pentakvarki »zlepljeni«. Po nekaterih teorijah so sestavine pentakvarka tesno povezane, po drugih pa je med njimi ohlapna zveza. Nekateri fiziki zato predlagajo, da bi jih bilo pravilneje opisati kot nekakšne minimolekule, sestavljene iz dveh kvarkovih mezonov in treh kvarkovih barionov, ki jih skupaj veže močna jedrska sila. Razumevanje, kako jih ta sila veže v pentakvark, bi utegnilo biti pomembno tudi za razumevanje, kako se oblikujejo zvezde.

»Z več znanja o njih bi morda pojasnili celo, kaj veže materijo v našem telesu in kako, prav tako bi nemara bolje razumeli, kaj se dogaja z zvezdami na koncu njihovega življenjskega cikla,« so zapisali fiziki v Cernovi izjavi.

Naslednja naloga bo, kot navaja izjava, določiti kvantno število teh novih delcev, to je značilna števila, ki identificirajo lastnosti specifičnega delca, in določiti njihovo teoretično pomembnost. Sicer pa bo sedanje odkritje po prepričanju Cernovih fizikov prispevalo k razumevanju, kako so trije sestavni kvarki vezani v barionu, in tudi k preverjanju povezav med kvarki, kar ima ključno vlogo v opisu stanj več kvarkov, kot so tetrakvarki in pentakvarki.

Sedanja potrditev pa že pojasnjuje, kako kvarki delujejo med seboj, in omogoča iskanje razpok v zdaj veljavni teoriji standardnega modela, ki je kljub temu, da je nič ni ovrglo, še vedno nepopolna. In potem ko bodo po letošnjem načrtovanem premoru veliki hadronski trkalnik proti koncu leta znova zagnali, se utegne zgoditi, da bo to najnovejše odkritje odprlo pot do odkritja delcev, ki jih predvideva supersimetrija, po kateri naj bi za vsak znani delec obstajal tudi bolj masiven »superpartner«.