Fizycy od lat mieli przed sobą rodzinę cząstek z wyraźnie pustym miejscem. W 2017 r. eksperyment LHCb pozwolił odkryć barion Ksicc⁺⁺ (Ξcc⁺⁺). Zgodnie z teorią powinien on mieć bliskiego partnera – cząstkę Ksicc⁺ o niemal takiej samej masie. Poszukiwania przynosiły jednak najwyżej słabe ślady. Teraz puste miejsce udało się wypełnić.

Bariony to cząstki zbudowane z trzech kwarków. Do tej grupy należą protony i neutrony, różniące się tylko jednym z trzech składników. Dwa występujące w nich rodzaje kwarków fizycy nazywają górnym i dolnym. Są to wyłącznie umowne nazwy, które nie opisują położenia ani kierunku ruchu. Proton zawiera dwa kwarki górne i jeden dolny, a neutron – jeden górny i dwa dolne. Podobna różnica występuje w parze badanej przez LHCb. Ksicc⁺⁺ składa się z dwóch kwarków powabnych i górnego, natomiast Ξcc⁺ – z dwóch powabnych i dolnego. „Powab” także jest tylko historyczną nazwą jednego z sześciu rodzajów kwarków. Kwark powabny jest znacznie cięższy od kwarków tworzących proton i neutron. Szybko się też rozpada. Cząstki zawierające dwa takie kwarki powstają rzadko i żyją niezwykle krótko. Ksicc⁺ prawdopodobnie znika znacznie szybciej niż w ciągu bilionowej części sekundy – zdecydowanie za szybko, by dotrzeć do detektora.

Poszukiwania przypominają więc odtwarzanie zdarzenia na podstawie pozostawionych fragmentów. Ksicc⁺ rozpada się na kilka innych cząstek, które rejestruje LHCb. W analizowanym przypadku ostatecznie powstawały proton, dwa kaony i dwa piony. Detektor mierzył ich tory i pędy, a naukowcy sprawdzali, które z nich mogły wcześniej tworzyć jeden cięższy obiekt. Jeżeli cząstki zostaną zgrupowane przypadkowo, obliczone masy zestawów są rozrzucone. Jeżeli wiele zestawów pochodzi z rozpadu tego samego barionu, na wykresie powstaje skupienie. Właśnie taki ślad pojawił się w danych zebranych w 2024 r. Pasował do cząstki o masie około 3620 MeV/c², niemal czterokrotnie większej od masy protonu. Analiza wskazała około 915 rozpadów Ksicc⁺.

Nie był to pierwszy trop. Eksperyment SELEX prowadzony w USA już w latach 2002–2005 informował o możliwym znalezieniu Ksicc⁺, ale wskazana wówczas masa była o około 101 MeV/c² mniejsza. Inne eksperymenty nie potwierdziły tego wyniku. Niewielki nadmiar zdarzeń pojawiał się też we wcześniejszych danych LHCb, lecz był zbyt słaby, aby mówić o odkryciu. Dopiero dane zebrane po modernizacji detektora pozwoliły rozstrzygnąć zagadkę. Wiarygodność nowego sygnału przekroczyła siedem odchyleń standardowych. Oznacza to, że niezwykle trudno wyjaśnić go przypadkowym ułożeniem tła. Fizycy cząstek wymagają pięciu odchyleń standardowych, zanim uznają istnienie nowej cząstki za potwierdzone. Tym razem wynik wyraźnie przekroczył ten próg. Słabszy, ale zgodny ślad odnaleziono także w starszych danych z lat 2016–2018. Centralny wynik wskazuje, że Ksicc⁺ jest o około 1,8 MeV/c² lżejszy od swojego partnera Ksicc⁺⁺, czego spodziewali się teoretycy.

Dokładna różnica pozostaje jednak niepewna, ponieważ nie zmierzono jeszcze czasu życia nowej cząstki. Od niego zależy, jak daleko zdąży ona odlecieć przed rozpadem i które zdarzenia zauważy detektor. Rozwiązanie jednej zagadki od razu otworzyło więc następną.

Odnalezienie Ksicc⁺ nie prowadzi bezpośrednio do nowej technologii. Daje jednak fizykom rzadką możliwość badania układu, w którym dwa ciężkie kwarki znajdują się obok jednego lekkiego. Porównując niemal bliźniacze bariony, można sprawdzać, jak zamiana jednego kwarka wpływa na masę i rozpad całej cząstki. To dokładny test teorii silnego oddziaływania, które łączy kwarki w protony, neutrony i inne bariony.

W badaniach uczestniczyli naukowcy związani z Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie, Instytutem Fizyki Jądrowej PAN, Narodowym Centrum Badań Jądrowych oraz Politechniką Krakowską. Była to pierwsza nowa cząstka zaobserwowana za pomocą LHCb po jego modernizacji. Artykuł opisujący wyniki badań ukazał się w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters” (DOI: 10.1103/dmv6-7gdv).

kmp/ zan/