Do tej pory Wielki Zderzacz Hadronów w CERN odkrył 80 cząstek, w tym słynny bozon Higgsa. Ale niektóre z najnowszych znalezisk są naprawdę nietypowe – to hadrony składające się z czterech lub pięciu kwarków, podczas gdy standardowe cząstki mają ich tylko dwa lub trzy. Naukowcy wciąż nie są pewni, czy te egzotyczne struktury to ściśle związane grupy kwarków, czy może luźne pary zwykłych hadronów.
Trzy ciężkie tetrakwarki pod lupą
Badacze z CMS skupili się na rodzinie trzech szczególnych cząstek: X(6600), X(6900) i X(7100). Liczby w nawiasach oznaczają ich masę w milionach elektronowoltów, co czyni je naprawdę ciężkimi strukturami. Każda z nich składa się wyłącznie z ciężkich kwarków powabnych – dokładnie z dwóch kwarków i dwóch antykwarków powabnych.
Cząstka X(6900) została po raz pierwszy zaobserwowana przez kolaborację LHCb w 2020 roku. Później jej istnienie potwierdziły niezależnie zespoły ATLAS i CMS. Te dwie pozostałe – najmniej i najbardziej masywna – zostały zgłoszone przez CMS. Taka konwergencja wyników z różnych detektorów dodaje odkryciu wiarygodności. Team CMS przeanalizował dane zebrane przez detektor w latach 2016-2018, podczas drugiej fazy eksperymentów LHC. Badacze śledzili rozpad każdej cząstki X na dwie cząstki J/psi, które z kolei rozpadały się na pary mionów – cząstek podobnych do elektronów, ale znacznie cięższych.
Czytaj także: Nowa cząstka elementarna odkryta przez fizyków. Jest piękna, powabna i nie tylko
To właśnie dzięki tej metodzie udało się zmierzyć trzy kluczowe właściwości kwantowe: spin, symetrię parzystości i symetrię sprzężenia ładunkowego. Spin to coś w rodzaju wewnętrznego momentu pędu cząstki. Symetria parzystości opisuje, jak cząstka zachowuje się w odbiciu lustrzanym, a symetria sprzężenia ładunkowego – jak zmienia się, gdy zamienimy ją na antycząstkę.
Wyniki wskazują na ściśle związane struktury
Dla wszystkich trzech tetrakwarków pomiary wykazały te same wartości: spin równy 2, a symetrie parzystości i sprzężenia ładunkowego wynoszące 1. Te liczby znacząco ograniczają możliwą wewnętrzną strukturę badanych cząstek. Wyniki przemawiają za tym, że tetrakwarki są obiektami, w których kwarki są ze sobą ściśle związane, a nie luźnymi parami zwykłych hadronów.
Andrei Gritsan z zespołu badawczego podkreśla, że choć wyniki nie określają ostatecznie struktury tych egzotycznych hadronów, to jednak faworyzują hipotezę ściśle związanych tetrakwarków. To istotny krok naprzód w zrozumieniu, jak działa silne oddziaływanie jądrowe – najsilniejsza z czterech fundamentalnych sił natury, odpowiedzialna za trzymanie razem jąder atomowych.
Dalsze badania z trwającej obecnie trzeciej fazy eksperymentów LHC, a także z przyszłego LHC o wysokiej świetlności, dostarczą jeszcze więcej danych. Naukowcy mają nadzieję, że pozwoli to ostatecznie rozwikłać zagadkę wewnętrznej struktury egzotycznych hadronów i lepiej zrozumieć mechanizmy rządzące światem cząstek elementarnych.