Cząstki X znowu wykryte! Tym razem w plazmie kwarkowo-gluonowej

Naukowcy z MIT po raz pierwszy zidentyfikowali egzotyczne cząstki X w plazmie kwarkowo-gluonowej. To odkrycie może zmienić nasze postrzeganie początków Wszechświata.
Czy w końcu uda się potwierdzić istnienie cząstek X?
Czy w końcu uda się potwierdzić istnienie cząstek X?

Zgodnie z obowiązującą wiedzą, w pierwszych milionowych częściach sekundy po Wielkim Wybuchu, Wszechświat był wrzącą plazmą zbudowaną z kwarków i gluonów, o temperaturze przekraczającej tryliony stopni Celsjusza. Cząstki te na krótko połączyły się w przeróżne kombinacje, po czym ostygły i przetrwały w bardziej stabilnych konfiguracjach, tworząc neutrony i protony.

Fizycy uważają, że tuż przed ochłodzeniem, cześć kwarków i gluonów zderzała się losowo, tworząc bardzo ulotne cząstki X. Nazwano je tak ze względu na tajemniczą strukturę i nieznane właściwości. Obecnie są one bardzo rzadkie, choć teoretycznie można je wytworzyć w akceleratorach cząstek. Teraz zespół uczonych z Laboratorium Nauk Jądrowych MIT znalazł dowody na istnienie cząstek X w plazmie kwarkowo-gluonowej powstałej w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN. Wyniki opublikowano w Physical Review Letters.

To dopiero początek historii. Pokazaliśmy, że potrafimy znaleźć sygnał. W ciągu najbliższych kilku lat chcemy wykorzystać plazmę kwarkowo-gluonową do zbadania wewnętrznej struktury cząstki X, co może zmienić nasz pogląd na to, jaki rodzaj materiału powinien produkować Wszechświat.prof. Yen-Jie Lee, fizyk MIT, główny autor badań

Cząsteczkowa zupa

Przez długi czas uważano, że proton i neutron są najbardziej podstawowymi składnikami materii. Teraz już wiadomo, że każda z tych cząstek jest tworzona z trzech ściśle powiązanych kwarków. Dopiero niedawno naukowcy zaczęli wykrywać ślady egzotycznych tetrakwarków – cząstek zbudowanych z rzadkiej kombinacji czterech kwarków. Wykryty X(3872) jest albo zwartym tetrakwarkiem, albo zupełnie nowym rodzajem cząsteczki zbudowanej nie z atomów, a z dwóch luźno połączonych mezonów (cząstek subatomowych tworzonych przez dwa kwarki).

Warto odnotować, że X(3872) wykryto po raz pierwszy w 2003 r. podczas eksperymentu Belle w Japonii, a później potwierdzony przez kilka innych zespołów badawczych. W tym środowisku jednak rzadkie cząstki rozpadały się zbyt szybko, aby naukowcy mogli zbadać ich strukturę. Pojawiły się sugestie, że te cząstki X mogą być lepiej widoczne w plazmie kwarkowo-gluonowej.

Czytaj też: Tetraneutron, czyli miniaturowa gwiazda neutronowa. Coraz bliżej potwierdzenia istnienia nieuchwytnej cząstki

Zespół prof. Lee szukał śladów cząstek X w plazmie kwarkowo-gluonowej powstałej w LHC. Dane z 2018 r. pochodziły z ponad 13 miliardów zderzeń jonów ołowiu, z których każde uwalniało kwarki i gluony, tworzące krótko żyjące cząstki X. Powstaje wtedy ogromny szum, który udało się wyciszyć dzięki specjalnym algorytmom uczenia maszynowego wytrenowanym do wyłapywania wzorów rozpadów charakterystycznych dla cząstek X. Naukowcom z MIT udało się wychwycić pik przy określonej masie, wskazujący na obecność cząstek X(3872) – w sumie ok. 100.

Prace będą kontynuowane. W ciągu najbliższych dwóch lat, naukowcy planują zebrać znacznie więcej danych, które powinny pomóc w wyjaśnieniu struktury cząstki X. Jeżeli jest ona tetrakwarkiem, powinna się rozpadać wolniej niż gdyby była luźno związaną cząstką. Teraz, gdy wykazano, że cząstki X mogą istnieć w plazmie kwarkowo-gluonowej, konieczne są dalsze analizy.