Pentakwarki – kolejny sukces Wielkiego Zderzacza Hadronów

Kiedy w 2013 r. naukowcy pracujący przy Wielkim Zderzaczu Hadronów potwierdzali detekcję bozonu Higgsa, wiadome było, że to nie koniec. Największy akcelerator cząstek jest zdolny do rozwikłania kolejnych, fascynujących tajemnic fizyki. Teraz udało się potwierdzić istnienie pentakwarków.

Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) to przepotężny akcelerator cząstek, największa maszyna zbudowana przez człowieka. Wypełnia on 27-kilometrowy tunel, wydrążony na głębokości od 50 do 175 m pod Genewą. Jak każdy akcelerator, LHC przyspiesza protony i ciężkie jony. Wyniki kolizji są zbierane przez kilka detektorów – duży ATLAS i CMS, średni ALICE i LHCb oraz mały TOTEM, LHCf, MoEDAL.

Wielki Zderzacz Hadronów ma na swoim koncie już jedną Nagrodę Nobla – za potwierdzenie istnienia wspomnianego bozonu Higgsa. Teraz świat nauki sugeruje, że może dojść kolejna. Oto bowiem akcelerator CERN udowodnił istnienie pentakwarków.

Skwarki? Tylko do pierogów

Aby zrozumieć czym są pentakwarki, trzeba liznąć choć podstawy fizyki i naturę samych kwarków. Nie, to nie to samo, co skwarki dodawane do pierogów. Według obecnego stanu wiedzy, kwarki są najmniejszymi, niepodzielnymi składnikami materii. Kwarki, razem z leptonami, tworzą wszystkie większe cząstki grupujące się w atomy, pierwiastki i całą materię. Istnieje 6 kwarków, przy czym każdy z nich ma własną antycząstkę, zatem jest także 6 antykwarków.

Istnienie kwarków w 1964 r. zasugerowali dwaj fizycy – Murral Gell-Mann i George Zweig. Wówczas było to niezgodne z obowiązującymi zasadami fizyki, więc obserwacji nie nagrodzono w odpowiedni sposób. Gell-Mann dostał co prawda Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, ale za całokształt pracy i odkrycia związane z klasyfikacją cząstek elementarnych. Sprawiedliwość dziejowa wróciła po ponad 20 latach, kiedy to w 1990 r. Henry Kendall, Jerome I. Friedman i Richard E. Taylor otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za udowodnienie istnienia kwarków.

Kwarki są o tyle niezwykłe, że nie występują w przyrodzie pojedynczo, a w pakietach. 3 kwarki mogą utworzyć bariony, którymi są m.in. protony i neutrony, a analogicznie 3 antykwarki budują antybariony. Powszechnie w przyrodzie występują także mezony złożone z 2 kwarków i 1 antykwarka. To jednak nie wszystko. Teoretycznie mogą istnieć cząstki (zwane hadronami egzotycznymi) zbudowanymi z większej ilości kwarków. Takim połączeniem są pentakwarki, których istnienie w 1987 r. zasugerował Harry Lipkin.

Piąty nie do pary

Potwierdzenie istnienia pentakwarków fizycy przeczuwali już od kilku lat. Przez ostatnie 12 lat przeprowadzono kilka eksperymentów, z których żaden jednoznacznie nie potwierdził istnienia pentakwarków. Dopiero udało się to teraz, dzięki zderzeniom przeprowadzanym przez LHC.

Nie ma jeszcze stuprocentowej pewności, że zaobserwowany przez fizyków sygnał pochodzi od pentakwarków, ale istnieją wszelkie przesłanki, by właśnie tak uznać. W wyniku rozpadu jednego z barionów (Lambda b) naukowcy zaobserwowali występowanie stanów pośrednich prowadzących do produktów finalnych tego zjawiska. Stany te nazwano Pc(4450)+ i Pc(4380)+. Z dużym prawdopodobieństwem można stwierdzić, że są to pentakwarki. Oczywiście, w fizyce nic nie jest pewne, póki nie przeprowadzi się dziesiątków różnych analiz.

Tomasz Skwarnicki, fizyk z polskimi korzeniami pracujący w Uniwersytecie w Syracuse, który brał udział w badaniach, tak opisuje odkrycie:

Przeanalizowaliśmy wszystkie możliwe źródła wykrytych sygnałów. Można je wyjaśnić tylko zakładając, ze pochodzą od pentakwarków. Zgodnie z naszą wiedzą, nie ma możliwości, by stany przejściowe nie zostały utworzone z dwóch kwarków górnych, jednego kwarka dolnego, jednego kwarka powabnego i jednego antykwarka powabnego. To wielki dzień dla współczesnej fizyki.

Istnienie pentakwarków ma ogromne znaczenie, ale – na ten moment – tylko dla fizyków. Dzięki nim naukowcy będą w stanie lepiej zrozumieć warunki panujące po Wielkim Wybuchu, czyli początku naszego Wszechświata. Dla reszty ludzkości to jedno z kolejnych „niepotrzebnych” badań.

A jak Wy uważacie? Czy takie badania mają sens? Co jeszcze odkryje Wielki Zderzacz Hadronów?