Fizycy z Laboratorium Nauk Jądrowych Massachusetts Institute of Technology (MIT) znaleźli ślady intrygujących cząstek X. Odnaleźli je w plazmie kwarkowo-gluonowej wytwarzanej przez Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w europejskim ośrodku badań jądrowych CERN w Szwajcarii.

Cząstka X (3872) jest zbudowana z czterech kwarków

W LHC nowe cząstki powstają w wyniku zderzeń innych, znanych nauce cząstek. Większość tak powstających cząstek jest bardzo nietrwała – rozpadają się przed upływem biliardowych części sekundy.

Nie inaczej jest z cząstką, której oficjalna nazwa to X (3872). Praca fizyków polegała na żmudnym studiowaniu śladów po takich rozpadach. Z tego na co rozpadła się cząstka i w jakich kierunkach rozpierzchają się ślady można bowiem wnosić, z czego powstały.  

Badacze z MIT z pomocą algorytmów uczenia maszynowego przeanalizowali 13 miliardów zderzeń rozpędzonych jonów ołowiu. W ich zderzeniach powstają wolne kwarki i spajające je gluony, które przez biliardowe części sekundy tworzą egotyczne cząstki. Wśród nich znalazła się cząstka X (3872) zbudowana z czterech kwarków.

Kwarki najczęściej łączą się w trójki. Jak odkryto tetrakwarki?

Otaczająca nas materia zbudowana jest z atomów. Tworzą ją elektrony krążące wokół jąder, które z kolei zbudowane są z protonów i neutronów. Elektrony są niepodzielne, ale protony i neutrony składają się z trójek mniejszych cząstek – kwarków.

Fizycy od dekad wiedzą, że takie połączenia – trójki kwarków – są najtrwalsze. Nie było jednak wykluczone, że kwarki mogą łączyć się w czwórki. Cząstka X (3872) jest prawdopodobnie taką czwórką kwarków – czyli tetrakwarkiem.

Nie jest to pierwszy raz, gdy na nią natrafiono. Po raz pierwszy ślady tetrakwarka odkryto w eksperymencie Belle prowadzonym w Japonii w 2003 roku. Cząstka okazała się jednak zbyt nietrwała, by można było stwierdzić, czy rzeczywiście składała się z czterech kwarków

Później odkrywano także inne cząstki, które podejrzewano o to, że są tetrakwarkami. Ostatnią z nich, czyli tetrakwark X (6900) zaobserwowano – także w genewskim LHC – w 2020 roku.

Tetrakwarki są zagadką. Nie wiadomo, dlaczego powstają

Teraz fizykom udało się dostrzec ślady około stu takich cząstek X (3872). Badacze mają nadzieję, że kolejne lata przyniosą więcej danych. To pozwoli dokładnie zbadać budowę tej tajemniczej cząstki. A także wyjaśnić zagadkę jej powstawania. Do tej pory powstało kilka teorii, które tłumaczą jej istnienie.

– To dopiero początek tej opowieści – mówi prof. Yen-Jie Lee, główny autor pracy opublikowanej w czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters”. – Udowodniliśmy, że jesteśmy w stanie wykryć sygnał [rozpadu cząstki]. W kolejnych latach chcemy wykorzystać plazmę kwarkowo-gluonową, żeby zbadać strukturę wewnętrzną cząstki X. Może to zmienić nasz pogląd na to, jaka materia powinna powstawać we Wszechświecie – wyjaśnia uczony.

Obecne modele fizyczne zakładają bowiem, że mogą powstawać nietrwałe pary kwarków i trwalsze trójki. Nie potrafią natomiast wytłumaczyć, dlaczego kwarki łączą się też w czwórki, a nawet piątki (pentakwarki).

Źródła: MIT News, Physical Review Letters.