A Nagy Hadronütköztető harmadik működési fázisa (Run 3) 2022-ben, egy jelentős fejlesztési projekt után kezdődött meg, és jelenleg is tart, de már nem sokáig: a Run 3 idén júliusban véget ér, hogy egy újabb hosszú leállás (Long Shutdown 3, LS3) keretében tovább tudják növelni a világ legnagyobb részecskegyorsítójának teljesítményét. A Nagy Hadronütköztető (LHC) jelenleg 13,6 TeV-on (teraelektronvolt, azaz 13,6 billió elektronvolt) működik, ami még nem éri el az LHC eredetileg tervezett maximális teljesítményét, a 14 TeV-et, de már közel áll hozzá. A 13,6 TeV egyébként azt jelenti, hogy ennyi az összenergiája a két, egyenként 6,8 TeV-os protonsugárnak az ütköztetések idején.

Run 3 alatt számos érdekes felfedezést tettek a kutatók, de az egyik legkülönösebb részecskét csak azután sikerült fülön csípni, hogy a rendszer egyik nagy detektorát, az LHCb detektort tovább fejlesztették 2023-ban. A fejlesztések nagy részét már az előző Hosszú Leállás alatt elvégezték, de az utolsó alrendszerek még 2023-ban kerültek a helyükre. Ez a projekt a valaha volt legnagyobb detektorfejlesztési munka volt a Nagy Hadronütköztető történetében, és tovább növelte az anyag-antianyag mérésekre specializált LHCb képességeit.

Az új részecske, amit az LHCb-vel fedeztek fel, egy régen megjósolt egzotikus változatát képviseli a protonnak

- lényegében olyan, mintha a hétköznapi proton nehezebb (kövérebb), de hasonló felépítésű változata lenne. A protoncsaládfán ábrázolva a dinasztia ezen tagja a fa legtetején foglal helyet, vagyis ez az eddigi legnehezebb protonváltozat, amit megfigyeltek a kutatók.

A jól ismert proton, ami az atommagot alkotja, három kvarkból áll - két fel és egy le kvarkból, ezért jele uud (up up down, ami angolul a fel és le kvarkokat jelöli). A kvarkoknak alapvetően hat különféle típusa (íze) ismert: a fel és le kvarkok a könnyűek közé tartoznak, míg a bájos, a furcsa, a felső és alsó kvarkok sokkal nehezebbek náluk. Ha egy háromkvarkos rendszerben a le kvark mellett megjelenik egy nehezebb kvark is, például egy bájos kvark, esetleg a le kvark helyére egy furcsa kvark lép, akkor “feljebb kerül” a protoncsaládfán.

Az új részecskét (Ξcc⁺) két bájos kvark és egy le kvark alkotja, ezért körülbelül négyszer nehezebb a protonnál.

A proton alapvetően annyira könnyű, hogy a tömegét nem is maguk a kvarkok adják, hanem a kvarkok és az őket összekötő gluonok örvénylő energiája - magyarázza az LHCb közleménye, de az új részecske esetén nem ez a helyzet, mivel a bájos kvarkok nagyjából mindenben egyeznek a fel kvarkokkal, de a tömegük jelentősen nagyobb náluk.

A Ξcc⁺ felfedezése az első olyan eseményt jelenti, aminek során egy vadiúj részecskét sikerült detektálni a felújított LHCb detektorral, de a részecske létezését valójában már megjósolták korábban. 2017-ben ugyanezzel a detektorral észleltek egy hasonló felépítésű elemet, amiben két bájos kvark és egy fel kvark kapott helyet. Ez az úgynevezett izospin partnere a most felfedezett részecskének, viszont az új verzió sokkal tünékenyebb - komplex kvantumhatások miatt hatszor olyan rövid az élettartama, ezért a megfigyelése különösen nagy kihívást jelentett.

(Fotó: CERN, MAI-Image-1)

Hetven éve megjósolták, most tényleg fel is fedezték – a démoni részecskét 1956-ban vetették fel először, hogy bizonyos körülmények közt az elektronok úgy kombinálódhatnak, hogy elvesztik a töltésük és a tömegük. A “démoni részecske” így elég izgalmasan hangzott, viszont épp az előbbi tulajdonságai miatt képtelenség volt detektálni. Mostanáig.