Wielki Zderzacz Hadronów ujawnił kolejne cząstki

Odkrycie to zostało właśnie opublikowane na łamach czasopisma "Physical Review Letters"
– Pentakwarki to nie jest po prostu kolejna nowo zaobserwowana cząstka – powiedział lider zespołu LHCb Guy Wilkinson. – Są zupełnie nowym rodzajem połączenia kwarków, czyli podstawowych składników protonów i neutronów, w sposób nigdy dotąd niezaobserwowany, pomimo ponad pięćdziesięciu lat poszukiwań. Poznanie ich własności może nam pomóc w zrozumieniu jak zbudowana jest zwykła materia z której wszyscy się składamy.
Nasze zrozumienie struktury materii zostało zrewolucjonizowane w 1964 roku, kiedy amerykański fizyk Murray Gell-Mann zasugerował że cząstki znane jako baryony, takie jak protony i neutrony, składają się z trzech obiektów o ułamkowym ładunku zwanych kwarkami, a inna kategoria cząstek – mezony złożone są z kwarku i antykwarku.
Za swoją pracę Gell-Mann dostał Nagrodę Nobla w 1969 roku. Model kwarków dopuszczał również istnienie innego zlepka kwarków, a mianowicie pentakwarków składających się z czterech kwarków i jednego antykwarku. Jednak, jak dotąd, eksperymentalnie nie zaobserwowano żadnego świadectwa ich istnienia.
Naukowcy ze współpracy LHCb poszukiwali pentakwarków badając rozpady barionu znanego pod nazwą Lb (Lambda b) na trzy cząstki, J/y (J-psi), proton i naładowany kaon. Obserwacja widma masy układu J/y i protonu pokazała, że tworzy on czasami pośrednie stany związane. Zostały nazwane Pc(4450)+ and Pc(4380)+, przy czym pierwszy tworzył wyraźne maksimum w rozkładzie, a drugi był konieczny aby opisać resztę obserwowanego spektrum.
– Korzystając z ogromnej ilości danych które zapewnia akcelerator LHC i dzięki wyśmienitej dokładności naszego detektora przebadaliśmy wszystkie możliwe scenariusze dotyczące tych sygnałów i doszliśmy do wniosku, że mogą być wytłumaczone jedynie przez istnienie pentakwarków – tłumaczy fizyk LHCb z amerykańskiego Uniwersytetu Syracuse Tomasz Skwarnicki. – Zaobserwowane stany muszą się składać z dwóch kwarków górnych, jednego dolnego, jednego powabnego i jednego antypowabnego.
Wcześniejsze eksperymenty poszukujące pentakwarków okazały się niekonkluzywne. To co wyróżnia LHCb, to możliwość poszukiwania pentakwarków na bardzo wiele sposobów, z których wszystkie prowadzą do zgodnego wniosku.
To trochę tak, jakby poprzednie generacje eksperymentów poszukiwały sylwetki w ciemnościach, podczas gdy LHCb potrafił włączyć pełne światła i patrzeć równocześnie z wielu kierunków. Następnym etapem analizy będzie zbadanie w jaki sposób kwarki łączą się by stworzyć pentakwark.
– Kwarki mogą być albo ściśle związane – mówi fizyk LHCb Liming Zhang z Uniwersytetu Tsinghua – albo połączone luźno w czymś w rodzaju cząsteczki barionowo-mezonowej, związanej resztkowym oddziaływaniem silnym takim, jak to które łączy protony i neutrony tworzące jądra atomowe.
Dalsze badania powinny przynieść rozstrzygniecie z którym przypadkiem mamy do czynienia, jak również odsłonić dalsze tajemnice pentakwarków. Nowe dane, które LHCb zbierze podczas drugiego okresu działanie LHC pozwolą znaleźć odpowiedzi na kolejne pytania.