În această lună CERN a anunțat descoperirea a patru noi particule subatomice la acceleratorul Large Hadron Collider (LHC) din Geneva.

Aceasta înseamnă că LHC a găsit, până acum, un total de 59 de particule noi, în plus față de bosonul Higgs, de când a început ciocnirea fasciculelor de protoni, particule care alcătuiesc nucleul atomic împreună cu neutronii, în anul 2009.

Chiar dacă descoperirea unora dintre aceste particule a fost anticipată pe baza teoriilor noastre, unele particule au fost cu totul surprinzătoare.

Obiectivul LHC este acela de a explora structura materiei la cea mai mică scară dimensională și la cele mai mari energii utilizate vreodată în laborator, testând cea mai bună teorie actuală pe care o avem despre natură: Modelul Standard din fizica particulelor.

LHC le-a permis oamenilor de știință să descopere bosonul Higgs, ultima piesă lipsă a Modelului Standard. Cu toate acestea, teoria este încă departe de a fi pe deplin înțeleasă.

Una dintre caracteristicile cele mai problematice ale Modelului Standard o reprezintă descrierea forței nucleare tari, cea care menţine stabilitatea nucleului atomic.

Nucleul atomic este alcătuit din protoni și neutroni, care la rândul lor sunt compuși din 3 particule minuscule numite quarcuri (există 6 tipuri diferite de quarcuri: up, down, charm, strange, top şi bottom.

Dacă am opri forța nucleară tare pentru o secundă, toată materia s-ar dezintegra imediat într-o “supă” de quarcuri în stare liberă, o stare care a existat pentru o clipă trecătoare la începutul Universului.

Nu trebuie să înțelegeți greșit: teoria interacțiunii nucleare tari, pretențios denumită “cromodinamică cuantică”, are o bază foarte solidă. Ea descrie modul în care quarcurile interacționează prin forța nucleară tare prin schimbul de particule numite gluoni. Vă puteți gândi la gluon ca la un analog al fotonului, mai familiar, particula elementară a forţei electromagnetice.

Cu toate acestea, modul cum interacționează gluonii cu quarcurile face ca forța nucleară tare să se comporte foarte diferit de electromagnetism. În timp ce forța electromagnetică dintre două particule încărcate electric devine mai slabă pe măsură ce acestea sunt îndepărtate una de alta, forța nucleară tare dintre două quarcuri devine de fapt mai puternică atunci când distanţa dintre aceste particule se măreşte.

Prin urmare, quarcurile sunt închise, pentru totdeauna, în interiorul unor particule denumite hadroni, formate din două sau mai multe quarcuri, care includ protonii și neutronii. Aceasta cu excepția cazului în care, desigur, dezintegrăm aceste particule la viteze incredibile, așa cum se întâmplă în interiorul LHC.

Pentru a complica lucrurile în continuare, pentru fiecare particulă din Modelul Standard există o antiparticulă aproape identică, dar cu o sarcină electrică opusă (sau altă proprietate cuantică).

Dacă încercaţi să scoateți un quarc dintr-un proton, forța nucleară tare va fi, în cele din urmă, suficient de puternică pentru a crea o pereche quarc-antiquarc în care un quarc nou creat intră în proton. Veți avea din nou un proton și un “mezon”, o particulă formată dintr-un quarc și un antiquarc.

Acest lucru poate părea ciudat, dar, conform mecanicii cuantice, care guvernează Universul la cea mai mică scară dimensională, particulele subatomice se pot forma spontan din vidul cuantic.

Acest lucru a fost demonstrat, în mod repetat, în experimente. Nimeni nu a văzut un quarc izolat.

Spre deosebire de electromagnetism, calculele din teoria forței nucleare tari sunt extrem de complicate. Prin urmare, nu putem (încă) demonstra teoretic faptul că quarcurile nu pot exista în stare izolată. Mai mult, nici măcar nu putem calcula care combinații de quarcuri ar fi viabile în natură și care nu.

Tetraquarc

Ilustrația unui tetraquarc. Credit: CERN, CC BY-SA

Atunci când a fost descoperit quarcul, oamenii de știință au înţeles că, în teorie, mai multe combinații ale acestora ar trebui să fie posibile. Printre acestea se numără perechi de quarcuri și antiquarcuri (mezoni); trei quarcuri (barioni), trei antiquarcuri (antibarioni), două quarcuri și două antiquarcuri (tetraquarcuri) și patru quarcuri cu un antiquarc (pentaquarcuri), atâta timp cât numărul de quarcuri minus antiquarcuri, în fiecare combinație, este un multiplu de trei.

Pentru o lungă perioadă de timp, în experimente s-au observat doar barioni și mezoni. Totuşi, în experimentul Belle din Japonia, care a fost efectuat în anul 2003, s-a descoperit o particulă având caracteristici neobişnuite.

Aceasta s-a dovedit a fi prima dintr-o lungă serie de tetraquarcuri. În anul 2015, experimentul LHCb de la LHC a descoperit două pentaquarcuri.

Cele patru particule subatomice nou descoperite sunt toate tetraquarcuri cu o pereche de quarcuri charm și alte două quarcuri. Toate acestea sunt particule în același mod precum protonul și neutronul. Ele nu sunt particule fundamentale: quarcurile și electronii sunt adevăratele elemente de bază ale materiei.

Noi particule “fermecătoare”

LHC a descoperit până acum 59 de hadroni. Acestea includ tetraquarcurile descoperite recent, dar și mezoni și barioni. Toate aceste particule conțin quarcuri grele, precum “charm” și “bottom”.

Studiul acestor hadroni este de mare interes. Ei ne spun ce combinații de quarcuri sunt posibile, chiar şi numai pentru o perioadă foarte scurtă de timp. De asemenea, ne oferă informaţii despre combinaţiile de quarcuri pe care natura le evită.

De exemplu, de ce toate tetraquarcurile și pentaquarcurile conțin o pereche de quarcuri “charm” (cu o singură excepție)? Și de ce nu există particule corespunzătoare cu perechi de quarcuri “strange”?

În prezent nu există nicio explicație.

Pentaquarc

Ilustrarea unui pentaquarc. Credit: CERN

Un alt mister este modul cum sunt legate între ele aceste particule prin forța nucleară tare. Mulţi teoreticieni le consideră a fi obiecte compacte, cum ar fi protonul sau neutronul. Alții susțin că sunt asemănătoare cu “moleculele” având doi hadroni slab legați.

Fiecare hadron nou descoperit le permite cercetătorilor să-i măsoare masa și alte proprietăți, ceea ce ne ajută să înţelegem mai bine cum se comportă forța nucleară tare.

Cu cât avem mai mulți hadroni, cu atât mai bine putem pune de acord modelele teoretice cu faptele experimentale.

Aceste modele sunt cruciale pentru atingerea obiectivului final al LHC: o nouă fizică dincolo de Modelul Standard. În ciuda succeselor sale, Modelul Standard nu este, cu siguranță, teoria finală privind înțelegerea particulelor subatomice.

De exemplu, Modelul Standard este incompatibil cu modelele cosmologice care descriu formarea Universului.

LHC caută noi particule fundamentale care ar putea explica aceste discrepanțe. Aceste particule ar putea fi vizibile în LHC, dar rămân ascunse în fundalul interacțiunilor dintre particule. De asemenea, ele ar putea apărea ca mici efecte cuantice în procese cunoscute.

În ambele cazuri, este nevoie de o mai bună înțelegere a forței nucleare tari pentru a le găsi.

Cu fiecare nou hadron descoperit ne îmbunătățim cunoștințele despre legile naturii, ceea ce ne conduce la o mai bună descriere a celor mai fundamentale proprietăți ale materiei.

Traducere după Cern: scientists discover four new particles – here’s why they matter