Ο LHCb επιβεβαιώνει την ύπαρξη εξωτικού σωματιδίου. LHCb confirms existence of exotic hadrons

Μια άποψη της εγκατάστασης του πειράματος LHCb. A view of the LHCb experiment at underground Point 8 on the Large Hadron Collider (LHC). The prominent tube is the LHC beam pipe, in which protons circulate at close to the speed of light. Image: Anna Pantelia/CERN.

Tην επιβεβαίωση για την ύπαρξη ενός νέου, εξωτικού σωματιδίου ανακοίνωσαν χθες φυσικοί του πειράματος LHCb (Large Hadron Collider beauty) που λαμβάνει χώρα στο CERN της Ελβετίας.

"The Large Hadron Collider beauty (LHCb) collaboration today announced results that confirm the existence of exotic hadrons – a type of matter that cannot be classified within the traditional quark model. LHCb reports a more detailed measurement of the Z(4430) that confirms that it is unambiguously a particle, and a long-sought exotic hadron at that. They analysed more than 25,000 decays of B mesons selected from data from 180 trillion (180 ×10^12) proton-proton collisions in the Large Hadron Collider." Read more at:http://home.web.cern.ch/about/updates/2014/04/lhcb-confirms-existence-exotic-hadrons & http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/. Image credit: Zoe Matthews / IOP / http://physicsworld.com/.

Πρόκειται για το Ζ(4430), ένα σωματίδιο που αποτελείται από τέσσερα κουάρκ (tetraquark). Τα κουάρκ είναι τα στοιχειώδη σωματίδια που μαζί με τα ηλεκτρόνια συνθέτουν τη συνήθη ύλη και το παραδοσιακό μοντέλο για την περιγραφή τους επιτρέπει την ύπαρξη ζευγών κουάρκ και τριών κουάρκ. Ο τελευταίος μάλιστα είναι και ο συνδυασμός που ευθύνεται για την ύπαρξη των πρωτονίων και των νετρονίων στους πυρήνες των ατόμων.

Οποιαδήποτε σύζευξη περισσότερων από τριών κουάρκ σε ένα σωματίδιο ανήκει στην κατηγορία των εξωτικών αδρονίων, κάτι που δεν προβλέπεται από τα απλούστερα θεωρητικά μοντέλα για τα κουάρκ.

Results from the BELLE collaboration at the KEK particle accelerator in Japan hint at a tetraquark (Image: KEK).

Η πρώτη ένδειξη για το Ζ(4430) είχε έρθει το 2008 από το πείραμα Belle Collaboration στην Ιαπωνία και  στη συνέχεια ανακοινώθηκε με τη μορφή ανακάλυψης, αφού οι φυσικοί του πειράματος μέτρησαν την κατανομή μάζας τους με ακρίβεια 5.2 σίγμα (σιγουριά της τάξεως του 99.9999%).

The squared mass distribution for the 25,200 B meson decays to ψ’ π- found by LHCb in their entire data set. The black points represent the data, the red curve the result of the simulation when including the presence of the Z(4430)- state. The dashed light brown curve below shows that the simulation fails to reproduce the data if no contribution from Z(4430)- is included, establishing the clear presence of this particle with 13.9 sigma. Image credit: Large Hadron Collider beauty collaboration.

Η ανάλυση από τα δεδομένα του πειράματος LHCb ήταν αρκετά πιο λεπτομερής. Σε 180 τρισεκατομμύρια συγκρούσεις πρωτονίων στον επιταχυντή LHC, το πείραμα κατέγραψε 25.000 διασπάσεις μεσονίων, οι οποίες επέτρεψαν στους φυσικούς να συνοδεύσουν την ανακάλυψή τους με τη συντριπτική ακρίβεια των 13.9 σίγμα, κάτι που μεταφράζεται σε απόκλιση από το 100% της τάξεως του 10-44.

The Large Hadron Collider, the world’s largest and most powerful particle accelerator. Image credit: CERN.

Το LHCb επίσης προχώρησε και ένα βήμα παραπέρα σε σχέση με το πείραμα Belle, καταγράφοντας το σπιν και την ισοτιμία του σωματιδίου, δύο από τις κβαντικές του ιδιότητες με ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Το Ζ(4430) είναι το πρώτο τετρακουάρκ που παρατηρείται και αποτελείται πιθανότατα από ένα γοητευτικό, ένα αντί-γοητευτικό, ένα κάτω και ένα αντι-άνω κουάρκ.

LHCb spokesperson Pierluigi Campana and LHCb physicist Richard Jacobsson discuss the unambiguous observation of an exotic particle which cannot be classified within the traditional quark model (Video: CERN).

Γνωρίζοντας πλέον πως υπάρχει τουλάχιστον ένα εξωτικό αδρόνιο, οι επιστήμονες έχουν κάθε λόγο να πιστεύουν πως υπάρχουν και άλλες αχαρτογράφητες περιοχές του υποατομικού κόσμου, με το δρόμο να μένει ανοικτός και για την ύπαρξη πιο σύνθετων συνδυασμών, όπως πεντακουάρκ κτλ.

Enrico Fermi at the blackboard.

Ίσως τελικά να είχε δίκιο ο Ιταλός φυσικός Ενρίκο Φέρμι, ο οποίος όταν τον είχε ρωτήσει o φοιτητής του Λέον Λέντερμαν για το όνομα ενός σωματιδίου τη δεκαετία του ’50, είχε δώσει την απάντηση «Νεαρέ, εάν μπορούσα να θυμηθώ τα ονόματα όλων αυτών των σωματιδίων, θα είχα γίνει βοτανολόγος».