Τρία νέα σωματίδια (τετρακουάρκ) ανακαλύφθηκαν στο CERN. LHCb unveils new particles

A view of the LHCb experimental cavern. (Image: Claudia Marcelloni/CERN)

Στις 28 Ιουνίου οι ερευνητές του LHCb ανακοίνωσαν την ανακάλυψη τριών νέων «εξωτικών» σωματιδίων και την επιβεβαίωση της ύπαρξης ενός τέταρτου. Το καθένα από αυτά τα σωματίδια συνίσταται από 4 κουάρκ (τετρακουαρκ) – δυο κουάρκ και δυο αντικουάρκ. Τα τετρακουάρκ αποκαλούνται εξωτικά σωματίδια γιατί η ακριβής θεωρητική τους ερμηνεία δεν έχει ακόμα ολοκληρωθεί.

Τα σωματίδια και τα αντισωματίδια το Καθιερωμένου Προτύπου. Αυτά είναι όλα τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια και αντισωματίδια στο Σύμπαν μας. Τα σωματίδια που «αισθάνονται» την ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι χρωματισμένα. Όλα τα κουάρκ και το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο, το ταυ και το μποζόνιο W είναι ηλεκτρικά φορτισμένα. Τα οκτώ γλοιόνια (g) και το φωτόνιο (γ) είναι άμαζα ενώ όλα τα άλλα (ακόμα και τα νετρίνα) έχουν μάζα. (Image credit: E. Siegel)

Το μοντέλο των κουάρκ, που προτάθηκε από τους Murray Gell-Mann και George Zweig το 1964, αποτελεί την πιο συνεπή θεωρία για την ταξινόμηση των αδρονίων (όλων τα σύνθετων σωματιδίων) που έχει βρεθεί μέχρι σήμερα, και είναι μέρος του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής. Στο μοντέλο των κουάρκ, τα αδρόνια ταξινομούνται σύμφωνα με τα κουάρκ που περιέχουν. Όμως, το γεγονός ότι όλα τα παρατηρούμενα αδρόνια σχηματίζονται είτε από ζεύγος κουάρκ – αντικουάρκ (στην περίπτωση των μεσονίων) ή από τρία κουάρκ (στην περίπτωση των βαρυονίων) αποτελούσε ένα μυστήριο για πολλά χρόνια.

Την τελευταία δεκαετία, διάφορες ομάδες ερευνητών βρήκαν αποδείξεις για την ύπαρξη σωματιδίων που σχηματίζονταν από περισσότερα των τριών κουάρκ. Για παράδειγμα, το 2009 η συνεργασία CDF ανακάλυψε ένα τέτοιο σωματίδιο, που ονομάστηκε Χ(4140) – ο αριθμός στην παρένθεση είναι η μάζα του σε MeV (μεγαηλεκτρονιοβόλτ) – που αργότερα επιβεβαιώθηκε και από άλλες ανεξάρτητες ομάδες ερευνητών.

Παρόλα αυτά, οι χαρακτηριστικοί κβαντικοί αριθμοί του Χ(4140) δεν είχαν προσδιοριστεί πλήρως, γεγονός που καθιστούσε την θεωρητική ερμηνεία του σωματιδίου αβέβαιη.

Η ερευνητική ομάδα του LHCb κατάφερε να προσδιορίσει αυτούς τους αριθμούς με μεγάλη ακρίβεια, κάτι που θα βοηθήσει πάρα πολύ τον έλεγχο διαφόρων θεωρητικών προτάσεων για τα τετρακουάρκ.

Ενώ το Χ(4140) είχε παρατηρηθεί στο παρελθόν, αυτή τη φορά ανακαλύφθηκαν άλλα τρία εξωτικά σωματίδια με μεγαλύτερες μάζες, που ονομάστηκαν: Χ(4274), Χ4500) και Χ(4700). Παρότι τα αυτά σωματίδια είναι τετρακουάρκ, το καθένα έχει διαφορετική εσωτερική δομή και μάζα και τους δικούς του κβαντικούς αριθμούς.

Το διάγραμμα δείχνει τα δεδομένα (μαύρες κουκίδες) της κατανομής μάζας των μεσονίων J / ψ και φ. Ο ενδιάμεσος σχηματισμός των τεσσάρων τετρακουάρκ εκφράζεται από τους 4 συντονισμούς στο κάτω μέρος. The image above shows the data (black dots) of the mass distribution resulting from the association of the J/ψ and φ mesons, where the contribution of the four exotic particles is illustrated by the four peaks at the bottom. (πηγή:http://arxiv.org/abs/1606.07895)

Τα παραπάνω αποτελέσματα βασίζονται σε μια λεπτομερή ανάλυση της διάσπασης ενός μεσονίου Β+ προς τα μεσόνια J/ψ, φ και Κ+, όπου τα νέα σωματίδια εμφανίζονται ως οι ενδιάμεσες καταστάσεις πριν διασπαστούν στο ζεύγος μεσονίων J / ψ και φ.

H αποκάλυψη των τριών νέων τετρακουάρκ οφείλεται στο γεγονός ότι στην ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν όλα τα δεδομένα που συλλέχθηκαν στον LHC από το 2010 έως το 2012.

Η ανακοίνωση αυτή αποτελεί την συνέχεια της περσινής ανακάλυψης των πρώτων δύο πεντακουάρκ από τoυς ερευνητές του LHCb.

Πηγή: LHCb unveils new particles, Stefania Pandolfi