Új részecske

A CERN LHCb együttműködése bejelentette egy új egzotikus részecske, úgynevezett tetrakvark felfedezését. A tanulmányt több mint 800 szerző jegyzi, és még várja, hogy más tudósok is ellenőrizzék (ezt a folyamatot nevezzük peer review-nak), de az eredményeket már bemutatták egy szemináriumon. A kutatási anyag megfelel az új részecskék felfedezésénél szokásos statisztikai küszöbértéknek is. A felfedezés egy közel 20 éves kutatás jelentős áttörése, amelyet a részecskefizikai laboratóriumokban végeztek a világ minden táján.

Időutazás

Ahhoz, hogy megértsük, mi a tetrakvark, és miért fontos a felfedezés, vissza kell lépnünk az időben, 1964-ig, amikor a részecskefizika a saját forradalmának kellős közepén állt. A világban javában zajlott a Beatles őrület, Jeruzsálemben megalakult a PFSZ, Tito és Hailé Szelaszié Etióp császár szeptemberben Budapesten tárgyaltak, a SZU-ban felbocsátották a Kozmosz–47 űrhajót (ez volt a Voszhod űrtrojka ember nélküli főpróbája), majd októberben magát a Voszhod-1-et is. 

Tombolt a vietnami háború, felrobbantották az első kínai atombombát, november 21-én felavatták Sávoly Pál új Erzsébet -hídját, és 28-án a floridai Cape Canaveral űrközpontból elindult a Mariner–4 a Mars felé. Mindeközben két fiatal rádiócsillagász New Jersey-ben éppen felfedezte az ősrobbanás elméletének valaha leírt legerősebb bizonyítékát.

Részecske állatkert: megszületnek a kvarkok

Az Egyesült Államokban található Kaliforniai Technológiai Intézetben és az Atlanti-óceán másik oldalán, a svájci CERN-ben, két részecskefizikus két független anyagot publikált ugyanazon témáról. Mindkettő arról szól, hogyan lehetne értelmezni az elmúlt két évtized során felfedezett óriási számú új részecskét.

Sok fizikus küzdött annak elfogadásával, hogy ilyen sok elemi részecske létezhet az univerzumban, a részecske-állatkertnek keresztelt rendszerben. George Zweig (Caltech) és Murray Gell-Mann (CERN) ugyanazt a megoldást találta meg.

Mi lenne, ha ezek a különböző részecskék valójában kisebb, ismeretlen építőelemekből készülnének, ugyanúgy, mint ahogy a periódusos rendszer több száz eleme protonokból, neutronokból és elektronokból áll?

Zweig ezeket az építőelemeket ászoknak nevezte, míg Gell-Mann kiválasztotta azt a kifejezést, melyet ma is használunk: kvarkok.

Pakli kvark

Most már tudjuk, hogy hat különféle kvark létezik - fel, le, bájos, furcsa, felső és alsó. Ezeknek a részecskéknek léteznek megfelelő antianyag társaik is ellentétes töltéssel, amelyek a szimmetrián alapuló egyszerű szabályok szerint összekapcsolódhatnak. A kvarkból és az antikvarkból készített részecskét mezonoknak nevezzük, míg három egymáshoz kötött kvark bariont alkot. Az atommagot alkotó ismert protonok és neutronok jó példák a barionokra.

Ez az osztályozási séma szépen leírta az 1960-as évek részecske-állatkertjét. Gell-Mann azonban még az eredeti tanulmányában rájött, hogy a kvarkok más kombinációi is lehetségesek. Például, két kvark és két antikvark is összekapcsolódhat együtt, hogy „tetrakvarkot” képezzen, míg négy kvark és egy antikvark „pentakvarkot” alkothat.

Egzotikus részecskék

Előreugorva 2003-ba, amikor a Japánban található KEK laboratóriumban a Belle-kísérlet során egy új, X (3872) nevű mezont figyeltek meg, amely “egzotikus” tulajdonságaival meglehetősen eltért a rendes mezonoktól.

A következő években számos új egzotikus részecskét fedeztek fel, és a fizikusok rájöttek, hogy ezeknek a részecskéknek a nagy része csak akkor magyarázható sikeresen, ha kettő helyett négy kvarkból álló tetrakvarkokként írják le őket. Aztán 2015-ben a CERN-ben végzett LHCb-kísérlet felfedezte az öt kvarkból előállított első pentaquark-részecskéket.

Az összes eddig felfedezett tetrakvark és pentakvark két bájos kvarkot tartalmaz, amelyek viszonylag nehezek, és két vagy három könnyű kvarkot: fel, le vagy furcsa. Ezt a konkrét konfigurációt a legkönnyebb érzékelni a kísérletek során.

Ám az LHCb által felfedezett legújabb tetrakvark, amelyet X(6900)-nak neveztek el, négy bájos kvarkból áll. A nagy energiájú protonütközések során a Nagy hadronütkköztetőben létrejött új tetrakvarkot, a J/psi mezonoknak nevezett - egy bájos kvarkból és egy bájos antikvarkból álló - jól ismert részecskepárokká történő lebomlása során figyelték meg.

Ez különösen érdekesé teszi a részecskét, mivel nemcsak hogy teljes egészében nehéz kvarkokból áll, de négy azonos típusú kvarkból is, ami egyedülálló példánnyá teszi a kvarkok kapcsolódásának megértéséhez.

Hasonlóan különböző szabályok

Jelenleg két különféle modell magyarázza, hogy a kvarkok hogyan kötődhetnek egymáshoz: az erős kötődés “kompakt tetrakvarkot” eredményez, de ha a kvarkok úgy vannak elrendezve, hogy két mezont képezzenek, amelyek lazán kapcsolódnak egymáshoz egy „mezon molekulában”.

A hagyományos molekulák atomokból épülnek fel, melyeket az elektromágneses erő kapcsol össze, ami a pozitív töltésű magok és a negatív töltésű elektronok között hat. A mezonban vagy barionban lévő kvarkokat azonban egy másik erő, az erős kölcsönhatás köti össze.

Rendkívül izgalmas jelenség, hogy az atomok és kvarkok, bár teljesen eltérő szabályokat követve, nagyon hasonló komplex objektumokat képezhetnek.

Az új részecske úgy tűnik, hogy leginkább a kompakt tetrakvarknak felel meg, nem pedig egy két-mezonból álló molekulának, ami a korábbi felfedezésekre adott legjobb magyarázat volt. Ez más szempontból is szokatlanná teszi, mivel lehetővé válik a fizikusok számára, hogy részletesen tanulmányozzák ezt az új kötési mechanizmust, és egyben más nehéz kompakt tetrakvarkok létezését is valószínűsíti, jósolja.

Ablak a mikrokozmoszba

A kvarkok között működő erős kölcsönhatás nagyon bonyolult szabályokat követ, valójában annyira bonyolultakat, hogy hatásának kiszámítása általában csak közelítésekkel és szuperszámítógépek bevetésével lehetséges.

Az X(6900) egyedülálló természete segít megérteni, hogyan lehetne javítani ezeknek a közelítéseknek a pontosságát, hogy a jövőben más, összetettebb fizikai mechanizmusokat is le tudjunk írni, melyek manapság még nem elérhetőek.

"A négy kvarkból álló részecskék már önmagukban is egzotikusak, és az, amit most fedeztünk fel, az első olyan, ami négy azonos típusú nehéz kvarkból áll, nevezetesen két bájos és két bájos antikvarkból" - mondta Giovanni Passaleva az LHCb együttműködés távozó szóvivője. 

Ezek az egzotikus nehéz részecskék szélsőséges és mégis elméletileg meglehetősen egyszerű eseteket tesznek lehetővé az olyan modellek tesztelésére, melyek felhasználhatók az egyszerű anyag részecskéi, például protonok vagy neutronok természetének magyarázatára. Ezért is nagyon izgalmas látni, amint ezek először jelennek meg az LHC-n belüli ütközésekben ”- magyarázza az LHCb frissen kinevezett új szóvivője, Chris Parkes.

Az X(3872) felfedezése óta az egzotikus részecskék tanulmányozása igazi sikertörténetnek számít. Több száz elméleti és kísérleti fizikus dolgozott együtt, hogy rávilágítsanak erre az izgalmas új területre, és az új tetraquark felfedezése óriási előrelépést jelent, és azt is jelzi, hogy még mindig sok új egzotikus részecske van odakint, arra várva, hogy valaki fülön csípje őket.

(Forrás: CERN Képek: Wikipédia, CERN)