Odkryto nową cząsteczkę. To pomost między materią i antymaterią

Nieznana wcześniej cząstka, którą zaobserwowali naukowcy węgierscy, może przenosić oddziaływania między materią widzialną i ciemną materią. Istnienie tej nowej cząstki wymaga jednak potwierdzenia w kolejnych eksperymentach - ocenia zespół fizyków teoretyków, wśród których znalazł się polski naukowiec.

O zaobserwowaniu nowej, całkiem nieznanej cząstki, 34 razy cięższej niż elektron, poinformował na początku roku węgierski zespół, którym kierował Attila Krasznahorkay. Dane z tego eksperymentu wzięli na warsztat badacze pod kierunkiem dr. Jonathana Fenga z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine (UCI) - w tym również Polak, dr Bartosz Fornal.

Z analiz przeprowadzonych przez zespół z Kalifornii wynika, że nowa cząstka - tzw. protofobiczny bozon X - być może pośredniczy w piątym, nieznanym wcześniej oddziaływaniu fundamentalnym. Dotychczas znane są cztery oddziaływania fundamentalne: grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne oraz słabe. Piąty rodzaj oddziaływania mógłby być tym, co łączy materię widzialną z ciemną materią. A znalezienie takiego łącznika mogłoby być w fizyce przełomem. Na razie bowiem o ciemnej materii wiadomo niewiele, m.in. to że stanowi ona ponad 25 proc. masy wszechświata (podczas gdy materia, z której jesteśmy zbudowani, tylko ok. 5 proc.) i że tworzy ona niewidzialne halo wokół galaktyk.

Ciemna materio! Łap naszą piłkę!

Aby świat działał tak, jak działa, konieczne jest nie tylko istnienie cząstek materii, czyli fermionów (to m.in. kwarki, elektrony czy neutrina), ale również istnienie bozonów - cząstek, które pośredniczą w oddziaływaniach między fermionami. Bozonami są m.in. fotony, gluony czy bozony Z i W.

"Wyobraźmy sobie, że cząstki materii to łódki na jeziorze. Żeby mogły ze sobą oddziaływać, konieczne jest coś, co umożliwi im komunikację. Jeśli ktoś z jednej łódki rzuci piłkę do osoby w drugiej łódce, a tamta osoba ją złapie, obie łódki zmienią swoje trajektorie. Bozony działają trochę jak takie piłki" - tłumaczy dr Bartosz Fornal.

"Badany przez nas na gruncie teorii bozon, jeżeli rzeczywiście istnieje, byłby takim rodzajem piłki, którą można przerzucić między łódką, jaką jest kwark, a łódką odpowiadającą cząstce ciemnej materii. Ten bozon - jak nam się na razie wydaje w oparciu o skonstruowany model teoretyczny - mógłby być jedynym możliwym sposobem, poza grawitacją, w jaki ciemna materia komunikuje się z naszym światem" - porównuje naukowiec. I dodaje: "Kto wie, jeżeli zaproponowane oddziaływanie istnieje, być może można by je użyć, żeby wyprodukować w laboratorium cząstkę ciemnej materii?"

Badania zespołu z UCI rzucają zupełnie nowe światło na eksperyment zespołu Krasznahorkaya - Węgrzy zupełnie inaczej interpretowali uzyskane przez siebie wyniki - podejrzewali, że zaobserwowana cząstka może być ciemnym fotonem lub bozonem Z'. "My pokazaliśmy, że jest to mało prawdopodobne i że w grę wchodzić może właśnie bozon X" - mówi dr Fornal.

Nowy bozon ma masę 17 MeV (megaelektronowoltów). Dostał określenie "protofobiczny", bo oddziałuje z neutronami, ale już nie z protonami. A to w świecie cząstek coś zupełnie nowego.

Nauczeni doświadczeniem

Naukowiec podkreśla jednak, że istnienie tej nowej cząstki na razie nie jest jeszcze przesądzone. Musi się to wyjaśnić w kolejnych eksperymentach. "To niemal pewne, że to, co zaobserwowano w eksperymencie grupy z Węgier, to nie jest statystyczna fluktuacja" - opowiada naukowiec (poziom istotności w badaniu wyniósł prawie 7 sigma, a do ogłoszenia odkrycia wystarczyłoby 5 sigma). Wciąż jednak nie jest wykluczone, że do wyniku doprowadził jakiś błąd w eksperymencie. Może się też jeszcze okazać, że wynik eksperymentu związany jest z jakimś nieznanym jeszcze efektem fizyki jądrowej.

Na szczęście badania, które ostatecznie pokażą czy cząstka istnieje, są stosunkowo łatwe do przeprowadzenia i chce je szybko wykonać wiele grup badawczych z całego świata. "Eksperyment grupy z Węgier można powtórzyć za nie więcej niż kilkadziesiąt tysięcy dolarów" - szacuje dr Fornal.

Fizyk wyjaśnia, że w węgierskim eksperymencie przygotowano metalową tarczę - z litu 7. Bombardowano ją wiązką protonów przyspieszaną w niewielkim akceleratorze. W czasie takich zderzeń tworzą się wzbudzone jądra berylu 8 – podczas rozpadu tych jąder powstawać może niekiedy niestabilna cząstka, która rozpada się na elektron i jego antycząstkę - pozyton. Detektory wokół tarczy rejestrowały właśnie takie pary elektron-pozyton. Na wykresie ilości rozpadów w zależności od energii tworzonej pary e+e- pojawiła się "górka" przy masie 17 MeV, co wskazywać może właśnie na istnienie cząstki nieprzewidzianej przez teorię.

Dr Fornal przyznaje, że praca Węgrów - chociaż była udostępniona jeszcze przed publikacją - nie od początku była zauważona przez fizyków cząstek i mogłaby przejść bez echa. "Muszę przyznać, że przypadkowo natknąłem się na tę publikację w czasie wyjazdu do Krakowa na święta. Szukałem artykułów na zupełnie inny temat, ale w ręce wpadły mi te badania. To było coś zupełnie nowego. Kiedy więc wróciłem na Uniwersytet Kalifornijski, pokazałem artykuł kolegom z mojego zespołu. I szybko zajęliśmy się tym tematem. To jeden z tych przypadków we współczesnej fizyce cząstek, kiedy to eksperyment dał impuls do rozwoju teorii. Bardzo często bywa odwrotnie" - kończy dr Fornal.

Dr Bartosz Fornal studia skończył na Uniwersytecie Jagiellońskim, doktorat zrobił w CalTechu (California Institute of Technology). Na Uniwersytecie Kalifornijskim fizyk odbywa staż podoktorski.

Źródło: PAP