Ανακάλυψη υποατομικού σωματιδίου που παραπέμπει σε άγνωστη εξωτική μορφή ύλης, Mysterious Subatomic Particle May Represent Exotic New Form of Matter

The quark wing of the particle zoo includes (a) quark pairs called mesons, (b) quark triplets called baryons, and possibly (c) four-quark combinations that may explain the Zc(3900) observations. APS/Alan Stonebraker

Δύο μεγάλες ανεξάρτητες επιστημονικές ομάδες, μία στην Ιαπωνία και μία στην Κίνα, ανακοίνωσαν ότι για πρώτη φορά ανίχνευσαν στους επιταχυντές τους σαφείς ενδείξεις για ένα υποατομικό σωματίδιο που αποτελείται από τέσσερα κουάρκ. Το εν λόγω σωματίδιο, που ονομάστηκε Zc(3900), είναι πιθανό ότι υπήρχε από τις πρώτες στιγμές μετά τη δημιουργία του σύμπαντος με την «Μεγάλη Έκρηξη».

Τα κουάρκ (και τα αντι-κουάρκ που αποτελούν την αντιύλη) είναι τα πιο θεμελιώδη σωματίδια της ύλης και δεν μπορούν να διαιρεθούν περαιτέρω. Συγκροτούν τα μεγαλύτερα στοιχειώδη σωματίδια, τα πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία, με τη σειρά τους, απαρτίζουν τα άτομα. Μέχρι σήμερα, οι φυσικοί θεωρούσαν ότι τα υποατομικά σωματίδια περιέχουν είτε τρία κουάρκ (όπως τα πρωτόνια και νετρόνια), είτε δύο (όπως τα πιόνια και τα καόνια που υπάρχουν στην κοσμική ακτινοβολία).

Diagram of Different Quark Flavors The different sizes of the quarks represent their masses. A proton and electron are shown at the bottom left corner, for comparison. Incnis Mrsi on Wikimedia Commons

Κανείς νόμος της Φυσικής δεν απαγορεύει να υπάρχουν περισσότερα κουάρκ μέσα σε ένα σωματίδιο. Η -για πρώτη φορά- πειραματική ανακάλυψη ενός «κουαρτέτου» κουάρκ ανοίγει πιθανώς το δρόμο για την ανακάλυψη και άλλων μορφών «εξωτικής» ύλης.

The Belle detector in Japan. O3/Wikimedia

Οι ανακαλύψεις από το ιαπωνικό εργαστήριο Belle (στον επιταχυντή High Energy Accelerator Research Organization της Tsukuba) και το κινεζικό BESIII (Beijing Electron Positron Collider), που παρουσιάστηκαν στο περιοδικό φυσικής «Physical Review Letters», σύμφωνα με το «Nature», ήρθαν ως αποτέλεσμα ερευνών στο σωματίδιο Υ(4260), που είχε ανακαλυφθεί το 2005 μετά τη σύγκρουση ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων (δηλαδή ύλης και αντιύλης) στους επιταχυντές.

The data bump from Belle and BESIII. Physical Review Letters

Αυτή τη φορά, οι επιστήμονες βρήκαν ενδείξεις για ένα νέο σωματίδιο με ενέργεια περίπου 3,9 γιγαηλεκτρονιοβόλτ (σχεδόν τετραπλάσια από το βάρος του πρωτονίου), το οποίο φαίνεται να έχει τέσσερα κουάρκ, ένα ζεύγος κουάρκ και ένα ζεύγος αντικουάρκ. Οι κατοπινές αναλύσεις ενισχύουν την πεποίθηση ότι το νέο σωματίδιο Zc(3900), που έχει ηλεκτρικό φορτίο, είναι μια άγνωστη έως τώρα μορφή ύλης.

The BESIII detector in China is one of two experiments to detect four-quark particles. IHEP

«Η ανακάλυψη του σωματιδίου αποτέλεσε μεγάλη έκπληξη», δήλωσε ο φυσικός Ζιτσίνγκ Λίου του Ινστιτούτου Φυσικής Υψηλών Ενεργειών του Πεκίνου, μέλος του πειράματος Belle. Σύμφωνα με τους επιστήμονες του ιαπωνικού πειράματος, που ανίχνευσαν 159 σωματίδια Zc(3900), η πιθανότητα στατιστικού λάθους στους υπολογισμούς τους είναι μικρότερη από μία στα 3,5 εκατομμύρια. Εξάλλου και το κινεζικό πείραμα BESIII εντόπισε 307 παρόμοια σωματίδια, οπότε η πιθανότητα λάθους απομακρύνεται κι άλλο.

Πάντως, οι ίδιες ερευνητικές ομάδες, καθώς και άλλες ανά τον κόσμο, θα κάνουν περαιτέρω έρευνες για να επιβεβαιώσουν τα ευρήματά αυτά και να αποκλείσουν άλλες πιο συμβατικές πιθανότητες. Η κυριότερη εναλλακτική λύση είναι ότι το Zc(3900) δεν είναι ένα σωματίδιο με ένα «κουαρτέτο» κουάρκ, αλλά στην πραγματικότητα πρόκειται για δύο ζεύγη σωματιδίων (συγκεκριμένα μεσονίων, που το καθένα έχει ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ), ενωμένων μεταξύ τους σε μια δομή σαν μόριο.

Ένας νέος ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων που θα είναι έτοιμος στο πείραμα Belle έως το 2015, αναμένεται να φωτίσει περαιτέρω το ζήτημα.