Υποδεχτείτε το «πεντακουάρκ». CERN’s LHCb experiment reports observation of exotic pentaquark particles

Απεικόνιση μιας πιθανής διάταξης των πέντε κουάρκ σε ένα πεντακουάρκ. Συγκριτικά, τα πρωτόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ. Illustration of the possible layout of the quarks in a pentaquark particle such as those discovered at LHCb. The five quarks might be tightly bonded (left). They might also be assembled into a meson (one quark and one antiquark) and a baryon (three quarks), weakly bonded together. © CERN / LHCb Collaboration

Οι πρώτες ενδείξεις για την ύπαρξη αυτών των εξωτικών σωματιδίων ήρθαν πριν από μια δεκαετία, σύντομα όμως απορρίφθηκαν ως οπτασία. Τώρα, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) επιβεβαιώνει σχεδόν τελεσίδικα την ύπαρξη των εξωτικών υποατομικών σωματιδίων «πεντακουάρκ».

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον πυρήνα των ατόμων αποτελούνται από τρία κουάρκ που συγκρατούνται ενωμένα από τη λεγόμενη ισχυρή πυρηνική δύναμη.

Στον «χορό» των κουάρκ

Νέα κατηγορία σωματιδίων ανακαλύφθηκε στον Μεγάλο Επιταχυντή Ανδρονίων. The Large Hadron Collider, which was switched on again earlier this year, will give researchers a chance to study the new particles on more detail and look for other types of pentaquark. Photograph: Peter Macdiarmid/Getty

Τα πεντακουάρκ αποτελούνται αντίθετα από πέντε κουάρκ και είναι εξαιρετικά βραχύβια, αφού διασπώνται σε άλλα σωματίδια σχεδόν ακαριαία μετά το σχηματισμό τους. Η επιβεβαίωση της ύπαρξής τους αναμένεται τώρα να επιτρέψει τον έλεγχο της λεγόμενης κβαντικής χρωμοδυναμικής, τη θεωρία που περιγράφει την πυρηνική δύναμη,

«Το πεντακουάρκ δεν είναι απλώς ένα νέο σωματίδιο» επισημαίνει ο Γκάι Ουίλκινσον, εκπρόσωπος του ανιχνευτή LHCb στον LHC, με τον οποίο πραγματοποιήθηκε η μελέτη. «Συνιστά έναν νέο τρόπο για τη συνάθροιση των κουάρκ [...] σε ένα μοτίβο που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ σε πάνω από πενήντα χρόνια πειραματικών αναζητήσεων».

Όπως επισημαίνει το CERN σε ανακοίνωσή του, ο αμερικανός φυσικός Μέρεϊ Γκελ-Μαν έφερε επανάσταση στην κατανόηση της δομής της ύλης το 1964, όταν έδειξε ότι τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα υπόλοιπα σωματίδια της ομάδας των «βαρυονίων» αποτελούνται από τρία κουάρκ. Τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1969 για την ανακάλυψή του.

Το μοντέλο του Γκελ-Μαν δεν απέκλειε ωστόσο την ύπαρξη σωματιδίων που αποτελούνται από περισσότερα κουάρκ.

Το 2003, ιαπωνικό εργαστήριο προκάλεσε ντόρο ανακοινώνοντας ότι ανακάλυψε ένα πεντακουάρκ. Ακόμα δέκα εργαστήρια που ανέλυσαν τα ίδια δεδομένα κατέληξαν στο ίδιο συμπέρασμα, τελικά όμως η ανακάλυψη διαψεύστηκε επίσημα το 2005.

Τα τελευταία ευρήματα στον LHC ήρθαν σχεδόν τυχαία στη διάρκεια άσχετης μελέτης (βασική αποστολή του LHCb είναι να εξηγήσει γιατί το Σύμπαν δεν περιέχει μεγάλες ποσότητες αντιύλης).

«Μελετούσαμε κάτι διαφορετικό, οπότε στην αρχή το αγνοήσαμε. Για ιστορικούς λόγους μάς τρόμαζε η λέξη πεντακουάρκ, οπότε ελέγξαμε τα ευρήματα με κάθε τρόπο που μπορούσαμε να φανταστούμε» σχολιάζει στο Nature.com ο Σέλντον Στόουν τουΠανεπιστημίου Σίρακιουζ της Νέας Υόρκης, μέλος της ερευνητικής ομάδας στο LHCb.

H νέα ανακάλυψη

The mass of J/ψ–proton (J/ψ p) combinations from Λb → J/ψpK-decays. The data are shown as red diamonds. The predicted contributions from the P_c(4380)⁺ and P_c(4450)⁺ states are indicated in the purple and black distributions, respectively. Inset: the mass of J/ψ p combinations for a restricted range of the K-p mass, where the contribution of the wider P_c(4380)⁺ state is more pronounced. (The other contributions from conventional hadrons, which are responsible for the remaining features in the data distributions, are not displayed.) © CERN / LHCb Collaboration

Η ανακάλυψη ήρθε από τη μελέτη της διάσπασης ενός σωματιδίου που ονομάζεται Λάμδα b σε τρία διαφορετικά σωματίδια. Το πείραμα έδωσε ενδείξεις ότι η διάσπαση περνά από ενδιάμεσες καταστάσεις που θα μπορούσαν να αντιστοιχούν σε πεντακουάρκ.

«Εξετάσαμε όλες τις πιθανότητες για αυτά τα σήματα, και καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι μπορούν να εξηγηθούν μόνο από καταστάσεις πεντακουάρκ» αναφέρει ο Τόμαζ Σκβαρνίκι, επίσης στο Πανεπιστήμιο Σίρακιουζ.

Τα κουάρκ, τα οποία είναι θεμελιώδη σωματίδια (δεν διασπώνται σε μικρότερα σωματίδια) έρχονται σε έξι διαφορετικές ποικιλίες ή «γεύσεις». Το πρωτόνιο, για παράδειγμα, αποτελείται από δύο «πάνω» κουάρκ και ένα «κάτω» κουάρκ».

Το πείραμα LHCb έδωσε ενδείξεις για δύο διαφορετικά πεντακουάρκ, τα οποία αποτελούνται από δύο «πάνω» κουάρκ, ένα «κάτω» κουάρκ, ένα «γοητευτικό» κουάρκ και ένα «γοητευτικό» αντικουάρκ.

Το ένα έχει μάζα 4,67 φορές μεγαλύτερη από το πρωτόνιο, το δεύτερο είναι λίγο βαρύτερο με 4,74 φορές τη μάζα του πρωτονίου.

Η ανακάλυψη θεωρείται σχεδόν τελεσίδικη, αφού η στατιστική αξιοπιστία φτάνει τα 9 σίγμα, πολύ πάνω από τα 5 σίγμα που απαιτούνται συνήθως για να αναγνωριστεί επίσημα η ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου.

Τα ευρήματα έχουν υποβληθεί για δημοσίευση στο επιστημονικό έντυπο «Physics Review Letters», και είναι διαθέσιμα στην υπηρεσία προδημοσίευσης arXiv.org.

Η ερευνητική ομάδα του LHCb σχεδιάζει τώρα νέα πειράματα για τη μελέτη των ιδιοτήτων των πεντακουάρκ.