Νέο σωματίδιο στο CERN λύνει ένα μυστήριο 20 ετών
Ένα νέο σωματίδιο έκανε την εμφάνισή του στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN, ένα βαρύτερο σωματίδιο παρόμοιο με το πρωτόνιο που περιέχει δύο charm quarks.
Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι παραδείγματα μιας κατηγορίας σωματιδίων που ονομάζονται βαρυόνια, τα οποία περιέχουν τρία θεμελιώδη υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται quarks, τα οποία έρχονται σε διάφορες λεγόμενες “γεύσεις”. Στην περίπτωση ενός πρωτονίου, δύο quarks “up” και ένα quark “down” σχηματίζουν το σωματίδιο.
Όμως, βαρύτερα quarks, όπως αυτά που είναι γνωστά ως charm quarks, μπορούν επίσης να συνδυαστούν για να σχηματίσουν βαρυόνια. Ωστόσο, επειδή αυτοί οι ασυνήθιστοι συνδυασμοί quarks είναι βαρύτεροι και επομένως πιο ασταθείς, συχνά έχουν ελάχιστες διάρκειες ζωής και διασπώνται γρήγορα σε άλλα σωματίδια.
Το 2017, φυσικοί που εργάζονταν στο πείραμα LHCb του CERN διέκριναν ένα από αυτά τα εξωτικά βαρυόνια, το Xicc++, το οποίο αποτελούνταν από δύο charm quarks και ένα up quark. Αυτό το σωματίδιο έζησε για μόλις ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Τώρα, φυσικοί που εργάζονται στο πείραμα LHCb εντόπισαν το “αδελφό” σωματίδιο του Xicc++ γεμάτο charm, το Xicc+, το οποίο περιέχει ένα down quark αντί για up, καθιστώντας το έναν βαρύτερο αναλόγο του πρωτονίου.
Αυτό το σωματίδιο είχε προβλεπόμενη διάρκεια ζωής έξι φορές μικρότερη από αυτήν του Xicc++, καθιστώντας το πολύ δυσκολότερο να ανιχνευθεί. Εντοπίστηκε μόνο αφού το πείραμα LHCb αναβαθμίστηκε για να πραγματοποιήσει πιο ευαίσθητες αναζητήσεις σωματιδίων. Η ανακάλυψη έχει στατιστική σημαντικότητα πάνω από 7 sigma, ένα μέτρο που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να δηλώσουν πόσο σίγουροι είναι ότι το αποτέλεσμα δεν είναι τυχαίο, κάτι που ξεπερνά κατά πολύ το όριο των 5 sigma που απαιτείται για τη διεκδίκηση μιας ανακάλυψης.
“Εκτός από το ενδιαφέρον της ανακάλυψης του σωματιδίου από μόνο του – το Xicc+ αναζητείται εδώ και πολύ καιρό – αποδεικνύει επίσης την ισχύ που έχουν αυτές οι αναβαθμίσεις στο LHC”, λέει ο Chris Parkes από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ στο Ηνωμένο Βασίλειο. “Σε ένα δείγμα δεδομένων ενός έτους, καταφέραμε να δούμε κάτι που δεν μπορούσαμε να δούμε με 10 χρόνια δεδομένων από την προηγούμενη γενιά.”
Η παρατήρηση αυτού του σωματιδίου μπορεί να μας διδάξει σχετικά με το πώς η ισχυρή πυρηνική δύναμη, η οποία περιγράφει πώς τα quarks συνδέονται μεταξύ τους, συγκρατεί βαρύτερα quarks από αυτά που βλέπουμε στα πρωτόνια και νετρόνια, λέει ο Parkes. Αλλά εξαλείφει επίσης ένα μυστήριο 20 ετών.
Το 2002, φυσικοί που εργάζονταν στο πείραμα SELEX στο Fermi National Accelerator Laboratory στο Ιλινόις πίστευαν ότι είχαν εντοπίσει ένα σωματίδιο που έμοιαζε πολύ με το Xicc+, αλλά με πολύ χαμηλότερη μάζα από την προβλεπόμενη, με μόνο 4,7 sigma επίπεδο εμπιστοσύνης. «Τώρα το βρήκαμε, αλλά έχει μάζα παρόμοια με του συνεργάτη του [Xicc++] που βρήκαμε πριν από μερικά χρόνια, και όχι στη μάζα που προέβλεπε το SELEX», λέει ο Parkes. Η ισχύς της νέας ανακάλυψης κλείνει την πόρτα στο ερώτημα της μάζας αυτού του σωματιδίου.
«Είναι μια πολύ ενδιαφέρουσα μέτρηση, αλλά δεν είναι σαφές τι μαθαίνουμε από αυτήν», λέει ο Juan Rojo από το Vrije University Amsterdam στις Κάτω Χώρες. “Δεν υπάρχει κανόνας στην κβαντική χρωμοδυναμική που να απαγορεύει την ύπαρξη αυτού του αδρονίου, αλλά τώρα που μετρήσαμε ότι υπάρχει, μένουμε όχι ιδιαίτερα φωτισμένοι.”
Μέρος αυτού, λέει ο Rojo, οφείλεται στο ότι οι τρέχουσες θεωρίες μας δεν προβλέπουν καλά πώς αλληλεπιδρούν τα βαρύτερα quarks μέσα στα βαρυόνια ή ποιες πρέπει να είναι οι μάζες τους. «Τα δεδομένα είναι πλέον μπροστά από τη θεωρία για αυτού του είδους τα σωματίδια, αλλά θα μπορούσε σε πέντε χρόνια από τώρα αυτή η μέτρηση να απαντήσει σε πολύ σημαντικά θεωρητικά ερωτήματα», λέει ο Rojo, όπως τι σημαίνουν διαφορετικοί συνδυασμοί quarks για τις μάζες των σωματιδίων.