Fizycy z CERN namierzyli niezwykłą cząstkę cztery razy cięższą od protonu

Głęboko pod granicą Francji i Szwajcarii naukowcy wyłuskali z danych cząstkę, na którą polowali od ponad dwóch dekad.

Wśród bilionów zderzeń w akceleratorze LHC w CERN udało się zidentyfikować baryon Ξcc⁺ – nietrwałą cząstkę składającą się z dwóch ciężkich kwarków typu charm. Dla fizyków to nie tylko kolejny egzotyczny obiekt, ale mocny test dla obecnego opisu materii, tak zwanego modelu standardowego.

Pod ziemią krąży gigantyczny „mikroskop” do badania materii

CERN, czyli Europejska Organizacja Badań Jądrowych, prowadzi największy na świecie akcelerator cząstek – Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). To podziemny pierścień o długości 27 kilometrów, w którym wiązki protonów są rozpędzane niemal do prędkości światła, a potem zderzane czołowo.

W takich warunkach odtwarza się ekstremalne energie, jakie panowały ułamki sekund po Wielkim Wybuchu. Z tej właśnie infrastruktury skorzystano w 2012 roku, gdy potwierdzono istnienie bozonu Higgsa. Teraz ten sam „mikroskop na sterydach” posłużył do uchwycenia śladów wyjątkowo rzadkiej cząstki – Ξcc⁺.

Cząstka Ξcc⁺ jest krewniakiem protonu, lecz jej masa sięga około 3 620 MeV/c², czyli blisko cztery razy więcej niż w przypadku protonu.

W praktyce oznacza to obiekt o zupełnie innych właściwościach niż znane z podręczników jądra atomów, a jednocześnie pasujący do przewidywań teorii cząstek.

Jak zbudowana jest materia – od cząstki wody po kwarki

Aby zrozumieć, czym wyróżnia się Ξcc⁺, trzeba zejść kilka poziomów w głąb struktury materii. Codzienny przedmiot, jak szklanka wody, składa się z cząsteczek H₂O. Każda z nich to zestaw atomów tlenu i wodoru. Atomy z kolei mają jądro otoczone elektronami.

W jądrze znajdują się protony i neutrony. Już to wiele osób kojarzy ze szkoły. Mniej oczywiste jest to, że protony i neutrony nie są ostatnim poziomem „klocków” rzeczywistości. One też składają się z jeszcze mniejszych elementów – kwarków.

Standardowy proton tworzą trzy kwarki: dwa typu up i jeden typu down. Samych rodzajów kwarków jest jednak więcej. Obecny model fizyki cząstek wyróżnia sześć „smaków” kwarków:

• up
• down
• strange
• charm
• bottom
• top

Różnią się między sobą przede wszystkim masą. Na przykład pojedynczy kwark charm jest około 500 razy cięższy od lekkiego kwarka up. Gdy w cząstce pojawiają się tak masywne składniki, cały układ staje się kruchy i bardzo szybko się rozpada.

Czym wyróżnia się Ξcc⁺ – dwie „ciężkie kotwice” w środku

Nowo opisana cząstka to baryon, tak samo jak proton, ale o innym składzie wewnętrznym. W jej wnętrzu siedzą:

Zastąpienie dwóch lekkich kwarków up ciężkimi kwarkami charm niemal czterokrotnie podbija masę całej cząstki. W skali codziennej takie liczby nie robią wrażenia, ale w świecie cząstek elementarnych to przepaść.

Ξcc⁺ żyje tak krótko, że detektory nigdy nie widzą jej bezpośrednio. Rejestrują jedynie produkty rozpadu, z których naukowcy „cofają się” do cząstki macierzystej.

Cząstka rozpada się na trzy lżejsze obiekty. W detektorze LHCb, jednym z głównych eksperymentów przy LHC, rejestrowane są ścieżki każdej z tych wtórnych cząstek oraz ich energia. System działa jak superszybka kamera, potrafiąca zrobić około 40 milionów „zdjęć” zderzeń na sekundę.

Fizycy przeglądają później ogromny zbiór danych i szukają charakterystycznych wzorów rozpadu. W tym przypadku natrafili na 915 zdarzeń, które układały się w jeden, wyraźny pik masy przy 3 620 MeV/c². To właśnie sygnał pochodzący od Ξcc⁺.

Dlaczego fizycy tak się upierali przy tej cząstce

Już na początku lat 2000 pojawiały się sugestie, że podobny baryon może istnieć. Jedna z grup badawczych zgłosiła nawet wówczas jego rejestrację. Problem polegał na tym, że kolejni naukowcy, korzystając z innych detektorów, nie potrafili powtórzyć tych wyników.

W fizyce cząstek obowiązuje twarda zasada: jeśli dany rezultat nie daje się odtworzyć niezależnie, traktuje się go jak statystyczny błąd lub złudzenie. Tamte wczesne pomiary nie zgadzały się także z przewidywaniami modelu teoretycznego, co tylko wzmacniało wątpliwości.

Teraz, dzięki analizie danych z LHCb, sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Liczba zarejestrowanych rozpadów, zgodność z obliczeniami i wysoka istotność statystyczna nie pozostawiają miejsca na przypadek. Do tego dochodzi fakt, że w 2017 roku ten sam eksperyment wyłapał blisko spokrewnioną cząstkę Ξcc⁺⁺, co tworzy spójny obraz całej rodziny takich baryonów.

Potwierdzenie istnienia Ξcc⁺ wzmacnia zaufanie do modelu standardowego, który opisuje oddziaływania cząstek elementarnych z imponującą dokładnością.

Co nam dają cząstki z dwoma kwarkami charm

Baryony z dwoma ciężkimi kwarkami charm to świetne „laboratorium” do badania tak zwanej silnej interakcji jądrowej. To ona spina kwarki w zwarte protony i neutrony, a w skali większej utrzymuje jądra atomowe w całości.

Silna interakcja jest jedną z czterech podstawowych sił przyrody, obok:

• oddziaływania elektromagnetycznego,
• oddziaływania słabego,
• grawitacji.

Bez niej kwarki nie tworzyłyby stabilnych struktur, a materia w znanej formie nie mogłaby powstać. Problem w tym, że tej właśnie interakcji trudno przyglądać się wprost. Cząstki z dwoma ciężkimi kwarkami działają jak „model doświadczalny”, na którym można sprawdzać szczegóły działania tej siły w skrajnych warunkach.

Naukowcy liczą, że kolejne analizy rozpadu Ξcc⁺ i jego krewniaków pokażą, jak dokładnie rozkłada się energia między składnikami, jakie role grają poszczególne kwarki oraz jak zachowuje się gluonowe „spoiwo”, które je łączy.

Model standardowy – solidny, ale niepełny

Dzisiejsza fizyka cząstek stoi na modelu standardowym. To zestaw równań, które bardzo dobrze opisują większość zjawisk w akceleratorach, od zwykłych zderzeń protonów po powstawanie nowych, egzotycznych układów. Każde trafne przewidywanie masy lub czasu życia cząstki jest dla tego modelu kolejnym testem.

Udane odtworzenie parametrów Ξcc⁺ oznacza, że teoria wciąż sprawdza się w nowych, wymagających sytuacjach. Jednocześnie pozostają pytania, których ten model nie rozwiązuje: nie tłumaczy ciemnej materii, grawitacji kwantowej ani tego, dlaczego we wczesnym kosmosie materia wygrała z antymaterią.

Dlatego fizycy lubią sytuacje, w których wszystko „prawie” się zgadza. Jeśli w danych z LHC pojawiłyby się choćby drobne odchylenia od przewidywań dotyczących takich baryonów, mogłoby to być pierwszą wskazówką w stronę nowej fizyki wykraczającej poza obecny model.

Co z tego ma zwykły czytelnik

Choć nazwa Ξcc⁺ brzmi jak losowy ciąg znaków, dotykamy tu czegoś bardzo bliskiego każdemu z nas: podstaw istnienia materii. Te same siły, które spajają ciężkie kwarki w egzotycznym baryonie, utrzymują także jądra atomów w naszych ciałach czy w smartfonie leżącym na biurku.

Takie prace nie przekładają się od razu na nowy gadżet czy aplikację. Historia fizyki uczy jednak, że lepsze zrozumienie cząstek i oddziaływań zwykle prędzej czy później trafia do technologii. Bez badań nad strukturą atomu nie mielibyśmy rezonansu magnetycznego, tranzystorów ani GPS, który wymaga bardzo precyzyjnych poprawek relatywistycznych.

Szansa, że sam baryon Ξcc⁺ stanie się kiedyś składnikiem komercyjnej technologii, jest znikoma – żyje zbyt krótko. Natomiast metody analizy ogromnych wolumenów danych, rozwijane przy eksperymentach LHC, już teraz inspirują rozwiązania w przemyśle, medycynie czy analizie Big Data. Do tego dochodzi rozwój zaawansowanych magnesów nadprzewodzących i elektroniki, bez których akcelerator nie mógłby pracować.

Dla wielu osób ciekawostką jest również sam fakt, że tak zaawansowany projekt to wspólne dzieło tysięcy badaczy z dziesiątek krajów. Praca nad jednym baryonem z dwoma kwarkami charm wymaga olbrzymiej współpracy, żmudnej analizy i wieloletniego uporu. Nie widać tego na co dzień, ale właśnie w takich miejscach powoli składa się obraz materii, w której wszyscy żyjemy.