Wielki Zderzacz Hadronów pokazał nowe cząstki, pentakwarki

Pentakwarki to coś więcej, niż po prostu kolejna nowo zaobserwowane cząstki - mówi lider zespołu LHCb Guy Wilkinson. To zupełnie nowy rodzaj połączenia kwarków, czyli podstawowych składników protonów i neutronów. Mimo ponad 50 lat poszukiwań, nigdy tego wcześniej nie obserwowaliśmy. Poznanie ich własności może nam pomóc w zrozumieniu jak zbudowana jest zwykła materia z której wszyscy się składamy - dodaje.

Współtwórca pojęcia kwarków, amerykański fizyk Murray Gell-Mann zasugerował że cząstki znane jako bariony, takie jak protony i neutrony, składają się z trzech obiektów o ułamkowym ładunku zwanych kwarkami, w 1964 roku. Jego teoria przewidywała, że cząstki innej kategorii, tak zwane mezony składają się z kolei z kwarku i antykwarku. Nauka zajmująca się siłami oddziaływań kwarków, chromodynamika kwantowa przewidywała teoretycznie, że mogą istnieć pentakwarki, złożone z czterech kwarków i jednego antykwarku, dotąd jednak nie było na to eksperymentalnych dowodów.

W 2003 roku badacze z synchrotronu Spring-8 w Harima w Japonii wywołali spore poruszenie ogłaszając, że odkryli pentakwark o masie z grubsza 1,5 raza większej, niż masa protonu. Jego ślad mieli zaobserwować wśród produktów zderzeń protonów i neutronów. Mimo, że kilkanaście laboratoriów po powtórnej analizie danych potwierdzało te doniesienia, inne twierdziły, że niczego takiego nie wiedzą i w 2005 roku uznano je za błędne. Ostateczny cios zadały tym twierdzeniom eksperymenty wykonane w Thomas Jefferson National Accelerator Facility w Newport News.

Doszło do tego, że przypadek ten był wymieniany w oficjalnej literaturze naukowej jako przykład analizy danych, która "pokazała" coś, czego w naturze nie ma. Wygląda na to, że teraz trzeba będzie to skorygować, bo wyniki uzyskane w eksperymencie LHCb w Wielkim Zderzaczu Hadronów raczej nie budzą wątpliwości.

Naukowcy eksperymentu LHCb poszukiwali pentakwarków badając rozpady barionu znanego pod nazwą Lb (Lambda b) na trzy cząstki, J/y (J-psi), proton i naładowany kaon. Obserwacja widma masy układu J/y i protonu pokazała, że tworzy on czasami pośrednie stany związane. Nazwano je Pc(4450)+ i Pc(4380)+, przy czym pierwszy tworzył wyraźne maksimum w rozkładzie, a drugi był konieczny, by opisać resztę obserwowanego spektrum.

Korzystając z ogromnej ilości danych które zapewnia akcelerator LHC i dzięki wyśmienitej dokładności naszego detektora przebadaliśmy wszystkie możliwe scenariusze dotyczące tych sygnałów i doszliśmy do wniosku, że mogą być wytłumaczone jedynie przez istnienie pentakwarków - tłumaczy krakowianin, pracujący teraz na Uniwersytecie Syracuse Tomasz Skwarnicki. Dokładniej mówiąc, zaobserwowane stany muszą się składać z dwóch kwarków górnych, jednego dolnego, jednego powabnego i jednego anty-powabnego - dodaje Skwarnicki, który jest jednym z wiodących autorów tej analizy.

To co wyróżnia LHCb, to możliwość poszukiwania pentakwarków na bardzo wiele sposobów, z których wszystkie prowadzą do zgodnego wniosku. To trochę tak jakby poprzednie generacje eksperymentów poszukiwały sylwetki  w ciemnościach, podczas gdy LHCb potrafił włączyć pełne światła i patrzeć równocześnie z wielu kierunków. Następnym etapem analizy będzie zbadanie w jaki sposób kwarki łączą się by stworzyć pentakwark.

Kwarki mogą być albo ściśle związane - tłumaczy fizyk LHCb Liming Zhang z Uniwersytetu Tsinghua. Albo mogą być połączone luźno w czymś w rodzaju cząsteczki barionowo-mezonowej, związanej resztkowym oddziaływaniem silnym takim, jak to które łączy protony i neutrony tworzące jądra atomowe - zauważa.  Dalsze badania powinny przynieść rozstrzygniecie z którym przypadkiem mamy do czynienia, jak również odsłonić dalsze tajemnice pentakwarków. Badacze podkreślają, że opublikowane wyniki pochodzą z eksperymentów LHC przy niższej energii, kolejne, już po podniesieniu energii zderzeń powinny przynieść jeszcze więcej informacji.

^{_{Na podstawie materiałów prasowych CERN.}}