Particule exotice formate din cinci quarcuri, pentaquarcuri, au fost descoperite în acceleratorul Large Hadron Collider

Tot ceea ce vedeți în jurul vostru este compus din particule elementare denumite quarcuri și leptoni, care se pot combina pentru a forma particule mai mari, cum ar fi protoni sau atomi, dar şi particule exotice neobişnuite.

Fizicienii implicaţi în experimentul LCHb (Large Hadron Collider beauty experiment), unul dintre cele 7 experimente din fizica particulelor care se desfăşoară în cadrul acceleratorului de particule Large Hadron Collider de la CERN în Elveția, au anunțat descoperirea unor particule exotice denumite pentaquarcuri.

Rezultatele obţinute ar putea ajuta la dezlegarea unor mistere din teoria quarcurilor, care este o parte esenţială din Modelului Standard al fizicii particulelor.

Quarcurile au fost inițial propuse pentru a explica multitudinea de particule noi descoperite în razele cosmice și în experimentele bazate pe coliziunea particulelor de la mijlocul secolului al XX-lea.

Această “grădină zoologică” tot mai mare a unor particule aparent fundamentale a provocat consternare printre fizicieni, care preferă simplitatea și ordinea bazate pe doar câteva principii de bază.

Celebrul fizician italian Enrico Fermi a descris starea de spirit a colegilor săi atunci când a spus: „Tinere, dacă mi-aș aminti numele tuturor acestor particule, atunci aș fi fost botanist”.

Din fericire, în anii 1960, fizicianul american Murray Gell-Mann a observat unele modele în “grădina zoologică” a particulelor, asemănătoare cu cele observate de Dimitri Mendeleev atunci când a întocmit tabelul periodic al elementelor chimice.

La fel cum tabelul periodic a implicat existența unor particule mai mici decât atomii, teoria lui Gell-Mann a sugerat existența unei noi clase de particule fundamentale.

Fizicienii au reuşit, în cele din urmă, să explice sutele de particule din “grădina zoologică” a particulelor pe baza unui număr mult mai mic de particule, cu adevărat fundamentale, denumite quarcuri.

Misterele hadronilor

Există șase tipuri de quarcuri în Modelul Standard, up (u), down (d), strange (s), charm (c), bottom (b) și top (t). Pentru fiecare quarc mai există un antiquarc, adică o particulă companion de antimaterie, o particulă care este practic identică cu cea din materie obişnuită, dar cu o sarcină electrică opusă.

Quarcurile și antiquarcurile se legă împreună pentru a forma particule cunoscute sub numele de hadroni.

Conform modelului Gell-Mann, există două clase mari de hadroni. Una dintre ele este cea a particulelor formate din trei quarcuri denumite barioni, care includ protonii și neutronii ce formează nucleul atomic, iar cealaltă clasă este compusă din particule formate dintr-un quarc și un antiquarc, particule cunoscute sub numele de mezoni.

Până de curând, barionii și mezonii au fost singurii hadroni observaţi în experimente. Cu toate acestea, în anii 1960, Gell-Mann a sugerat posibilitatea existenţei unor combinații exotice de quarcuri, cum ar fi tetraquarcurile (două quarcuri și două antiquarcuri) și pentaquarcuri (patru quarcuri și un antiquarc).

În anul 2014, fizicienii au anunţat că în experimentul LCHb s-a observat prezenţa unui tetraquarc, particula Z (4430)⁺. Ulterior, în anul 2015, colaborarea LHCb a anunțat descoperirea primului pentaquarc, adăugând o clasă nouă de particule familiei hadronilor.

Rezultatele prezentate recent de LHCb relevă existenţa altor particule de acest fel. Acest lucru a fost posibil datorită unui număr mare de date noi care au fost înregistrate în timpul celei de-a două etape de utilizare a acceleratorului de particule Large Hadron Collider.

Liming Zhang, profesor asociat la Tsinghua University din Beijing și unul dintre fizicienii care au efectuat măsurătorile, a declarat că „acum avem de zece ori mai multe date decât în ​anul ​2015, ceea ce ne permite să observăm mai multe structuri interesante”.

Atunci când Liming și colegii săi au examinat pentaquarcul descoperit în anul 2015, ei au fost surprinși să constate că acesta s-a divizat în două. Pentaquarcul inițial era de fapt format din două particule pentaquarc care aveau o masă similară şi care, inițial, arătau ca o singură particulă.

Experimentul LHCb. Credit: Maximilien Brice/CERN

Ca și cum descoperirea a două pentaquarcuri nu era destul de interesantă, LHCb a găsit și un al treilea pentaquarc cu o masă puțin mai mică decât celelalte două. Toate cele trei pentaquarcuri sunt formate dintr-un quarc down, două quarcuri up, un quarc charm și un antiquarc charm.

Care este structura internă a acestor pentaquarcuri?

O posibilitate ar fi ca acestea să fie într-adevăr formate din cinci quarcuri, care formează un singur hadron. O altă posibilitate este ca pentaquarcurile să fie formate dintr-un barion și un mezon, similar modului cum protonii și neutronii se leagă împreună în interiorul nucleului atomic.

Tomasz Skwarnicki, profesor de fizică la Syracuse University din New York, a declarat că masa oferă indicii despre structura internă a pentaquarcurilor şi că cea mai probabilă opţiune este ca aceste pentaquarcuri să fie de fapt formate dintr-un barion și un mezon.

Pentaquarc. Credit: Daniel Dominguez/CERN

Pentru a fi absolut siguri, fizicienii au nevoie de mai multe date experimentale, precum și de alte studii de la fizicienii teoreticieni, ceea ce înseamnă că înţelegerea structurii pentaquarcurilor necesită timp.

LHC nu a descoperit încă particule în afara Modelului Standard care ar putea contribui la explicarea unor mistere precum materia întunecată, o substanță invizibilă, necunoscută, care reprezintă cea mai mare parte a materiei din Univers.

Toate aceste măsurători interesante arată că mai sunt multe lucruri de învățat despre particulele și forțele din Modelul Standard.

Poate că cea mai bună șansă de a găsi răspunsurile la marile întrebări cu care se confruntă fizica fundamentală în secolul al 21-lea constă în realizarea unor studii mai aprofundate ale particulelor pe care le cunoaștem deja şi nu în ​​descoperirea unor noi particule.

În orice caz, mai avem încă multe de descoperit.

Traducere şi adaptare după Exotic particles containing five quarks discovered at the Large Hadron Collider