Model standardowy to jedna z najbardziej podstawowych teorii fizyki cząstek elementarnych, które są podstawowymi “cegiełkami” materii. Niepozbawiona luk, ale matematycznie wyjaśniająca wystarczająco wiele, by środowisko fizyków uznawało ją za najdokładniejszy opis otaczającej nas rzeczywistości, jakim dysponujemy.
W Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) – największym na świecie akceleratorze (przyspieszaczu) cząstek, znajdującym się na granicy Francji i Szwajcarii – na głębokości od 50 do 175 m pod ziemią w 27-kilometrowym tunelu zderzane są protony. Wyniki są rejestrowane przez dwa duże detektory: ATLAS i CMS oraz kilka mniejszych (m.in. ALICE, LHCb, TOTEM).
Czytaj też: Bozon Higgsa poznany lepiej niż kiedykolwiek. Pojawiły się wyniki kluczowych badań
Czasami podczas zderzeń udaje się uchwycić “coś” niezwykłego. Tak było chociażby w 2012 r. z detekcją bozonu Higgsa, czyli tzw. boskiej cząstki, która nadaje masę innym cząstkom, z którymi oddziałuje. Teraz detektory ATLAS i CMS po raz pierwszy uchwyciły proces jednoczesnego powstawania czterech kwarków górnych. To bardzo rzadkie i skomplikowane do wykrycia zjawisko.
Czym są kwarki i dlaczego są tak ważne?
Nie zagłębiając się e meandry fizyki cząstek elementarnych, przytoczę tylko absolutne podstawy. Zgodnie z modelem standardowym, cząstki elementarne dzielimy na kwarki i leptony (wspólnie tworzące tzw. fermiony) oraz bozony cechowania (przenoszące oddziaływania) i bozon Higgsa, który nadaje cząstkom masę. Kwarki to cząstki, które nie występują swobodnie – nie da się ich oderwać i odizolować, występują w układach złożonych, zwanych hadronami. Znamy sześć kwarków podstawowych: górny, dolny, dziwny, powabny, niski (zwany pięknym) i wysoki (zwany prawdziwym). Mają tzw. ładunek kolorowy, czyli podlegający oddziaływaniom silnym. Zgodnie z obowiązującym stanem wiedzy, kwarki są niepodzielne.
Kwark górny jest najcięższą cząstką modelu standardowego, co oznacza, że jest najsilniej związany z bozonem Higgsa. Są różne sposoby na wytworzenie kwarka górnego – najczęściej obserwuje się go w parze z antykwarkiem (każda cząstka ma swój odpowiednik antymaterii, antycząstkę), choć nie zawsze. Zgodnie z obowiązującymi teoriami, cztery kwarki górne (dwie pary kwark-antykwark) mogą być produkowane jednocześnie, ale zjawisko to jest ekstremalnie trudne do wychwycenia. Tempo produkcji czterech kwarków górnych eksperci CERN szacują na 70 tys. razy mniejsze niż par kwark-antykwark. Zjawisko to jest prawdziwe, co potwierdził detektor ATLAS w 2020 i 2021 r., a CMS w 2022 r. Do tej pory jednak procesu tego nie udało się zaobserwować.
Podczas drugiej serii eksperymentów w LHC (Run 2) wykryto powolną produkcję czterech kwarków górnych. Wyniki przeszły wymaganą weryfikację pod kątem istotności statystycznej i oficjalnie zyskały status “obserwacji”.
Czytaj też: Wielki Zderzacz Hadronów odkrył nowy rodzaj cząstek materii. Tetrakwarki
Produkcja czterech kwarków górnych jest niezwykle trudna do wykrycia. Dlaczego? Obserwujemy tu prawdziwą kaskadę reakcji. Każdy kwark górny rozpada się na bozon W i kwark dolny. Bozon W z kolei rozpada się na naładowany lepton i neutrino lub parę kwark-antykwark. To oznacza, że zdarzenia z czterema kwarkami nie mają charakterystycznej sygnatury, swoistego podpisu, którego zauważenie jednoznacznie mówi fizykom, że mają do czynienia właśnie z tym zjawiskiem.
Dzięki nowoczesnym technikom uczenia maszynowego, dane z detektorów ATLAS i CMS mogą być przepuszczone przez “sito”. Wszystkie sygnały pochodzące potencjalnie od czterech kwarków górnych są łatwo wychwytywane. To pierwsza, ale na pewno nie ostatnia bezpośrednia obserwacja produkcji czterech kwarków górnych. Eksperymenty w LHC są kontynuowane i zapewne zaowocują jeszcze niejedną Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.