W laboratoriach Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN pod Genewą, w tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) protony zderzają się z taką energią, że na ułamki sekund powstają zupełnie nowe cegiełki materii. Jednym z detektorów, który te zjawiska obserwuje, jest CMS (ang. Compact Muon Solenoid). Pracują przy nim tysiące osób z całego świata, w tym fizycy i elektronicy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku, Politechniki Warszawskiej oraz Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. To właśnie ta grupa (w języku CERNu mówimy o „kolaboracji”) opisała niedawno w czasopiśmie Nature  niezwykłe cząstki złożone z czterech kwarków typu powabnego.

Protony i neutrony także mają budowę wewnętrzną i składają się z jeszcze mniejszych składników, kwarków. Zwykle układają się one w dwie proste konfiguracje - albo tworzą mezony, czyli parę: kwark i antykwark, albo bariony, czyli trójkę kwarków. Już dawno jednak teoretycy zauważyli, że równania dopuszczają bardziej wymyślne układy, na przykład cztery kwarki naraz. Takie twory nazwano tetrakwarkami. Przez lata pozostawały one jednak raczej teoretyczną ciekawostką niż bohaterem laboratoriów.

Nowy artykuł dotyczy szczególnej rodziny takich cząstek. Zbudowane są wyłącznie z ciężkich kwarków powabnych i ich antycząstek. Znaleziono trzy takie stany, nazwane technicznie X(6600), X(6900) i X(7100), co odnosi się głównie do ich masy. Już wcześniej zauważono, że coś o podobnych parametrach pojawia się w danych detektora CMS, ale brakowało kluczowej informacji. Nie wiadomo było, jak te kwarki są rozmieszczone we wnętrzu egzotycznych cząstek i jaki jest ich tak zwany spin, czyli wewnętrzny moment magnetyczny. Bez tego trudno ocenić, czy mamy do czynienia z ciasno związaną czwórką kwarków, czy raczej z luźną parą dwóch zwykłych mezonów, przyciągających się jak słabo związana cząsteczka.

Cząstek X nikt nie widział bezpośrednio, ponieważ żyją one niewyobrażalnie krótko. Rozpadają się na dwie inne cząstki o nazwie J psi, a te z kolei na cztery miony, czyli cięższych kuzynów elektronów. W danych z detektora CMS zostają tylko ślady tych czterech mionów. To wystarcza. Z ich kierunków i energii można odtworzyć sposób, w jaki poruszała się cząstka macierzysta, jaki miała ładunek i spin. Fizyk przypomina tu biegłego sądowego, który z układu śladów opon na jezdni potrafi odtworzyć przebieg wypadku. CMS zebrał olbrzymią liczbę takich zdarzeń i porównał rozkład kątów między mionami z przewidywaniami różnych modeli.

Po długiej analizie okazało się, że dane najtrafniej opisuje obraz cząstki o sporym spinie, oznaczanym liczbą dwa, i określonych innych własnościach wewnętrznych. Co ważne, wszystkie trzy stany X mają ten sam zestaw własności kwantowych i bardzo podobny sposób rozpadu. Różnią się głównie poziomem wzbudzenia, a więc i masą (energia układu objawia się jako masa cząstki). Takie wyniki znacznie lepiej pasują do obrazu ciasno związanej czwórki kwarków niż do luźnej cząsteczki dwóch mezonów. Innymi słowy, po wielu latach sporów badacze mają dużo mocniejsze argumenty, że egzotyczne tetrakwarki mogą być prawdziwymi, zwartej budowy cząstkami, a nie tylko chwilową lekko związaną grupą znanych już cząstek.

Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że ta cała historia pozostaje daleko od codziennych problemów. W praktyce takie badania zmieniają jednak rzeczywistość na kilka sposobów.

Po pierwsze, wymagają niezwykle czułej aparatury i szybkiej elektroniki, które potem znajdują drogę do medycyny, przemysłu i systemów pomiarowych. Po drugie, wymuszają rozwój metod analizy ogromnych zbiorów danych, co przydaje się na przykład w finansach, meteorologii czy diagnostyce obrazowej. I wreszcie po trzecie, dopisują kolejne zdanie w opisie świata na najgłębszym poziomie. Dzięki pracy takich zespołów fizyka wciąż się rozwija, a na końcu łańcucha abstrakcyjnych równań stoi bardzo konkretne pytanie o to, z czego naprawdę zbudowana jest materia. (PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ agt/