Kolejny sukces Wielkiego Zderzacza Hadronów. Potwierdzono istnienie pentakwarków

Istnienie pentakwarków po raz pierwszy przewidziano w latach 60. ubiegłego wieku, podobnie jak bozonu Higgsa, ale przez całe dziesięciolecia ich detekcja była niemożliwa. Dopiero powstanie Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) pozwoliło na potwierdzenie przypuszczeń fizyków.

- Pentakwark nie jest żadną nową cząstką elementarną. Reprezentuje on sposób grupowania kwarków, będących fundamentalnymi składnikami protonów i neutronów, według wzorca, którego nie zaobserwowano przez 50 lat eksperymentów. Poznanie jego właściwości pozwoli nam lepiej zrozumieć jak zwykła materia, protony i neutrony, z których wszyscy jesteśmy zbudowani, jest zorganizowana - powiedział Guy Wilkinson, rzecznik LHCb.

W 1964 r. dwaj fizycy - Murray Gell Mann i George Zweig - niezależnie zaproponowali istnienie cząstek elementarnych zwanych kwarkami. W 1969 r. Gell Mann dostał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, ale za całościowy wkład oraz odkrycia dotyczące klasyfikacji cząstek elementarnych i oddziaływań zachodzących pomiędzy nimi. Nie dostał on nagrody za samą teorię kwarków, która w owych czasach nie była jeszcze akceptowana. Naprawiono to później. Za potwierdzenie doświadczalne istnienia kwarków Henry Kendall, Jerome I. Friedman i Richard E. Taylor otrzymali w 1990 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Kwarki to cząstki elementarne o tyle istotne, że według obecnej wiedzy - obok leptonów - to one budują znaną nam materię. Każda z tych grup zawiera po 6 cząstek i ich antycząstki, jest zatem 6 kwarków i 6 antykwarków. Zgodnie z obowiązującym stanem wiedzy, kwarki są niepodzielne.

Ważną cechą kwarków jest to, że nie istnieją one oddzielnie, ale w hadronach, czyli układach cząstek tworzących m.in. bariony (3 kwarki), antybariony (3 antykwarki) czy mezony (2 kwarki i 1 antykwark). Własności kwarków wyznaczono na podstawie założenia, że cząstki elementarne mogą składać się z 2-3 kwarków.

Fizyka teoretyczna zakłada jednak istnienie tzw. hadronów egzotycznych, złożonych z większej ilości kwarków. Takimi hadronami egzotycznymi są pentakwarki, czyli cząstki zbudowane z 5 kwarków (4 kwarków i 1 antykwarka). Samą nazwę pentakwark w 1987 r. stworzył Harry Lipkin.

Od 2003 r. przeprowadzono kilka eksperymentów, które sugerowały istnienie pentakwarków, ale żadne nie zostały gruntownie potwierdzone. Dopiero teraz, dzięki wykorzystaniu Wielkiego Zderzacza Hadronów, naukowcom udało się zaobserwować powstawanie pentakwarków i tym samym potwierdzić ich istnienie. Mimo iż skala ważkości odkrycia jest duża, to potwierdzenia istnienia pentakwarków nie powinno się porównywać do wykrycia w LHC bozonu Higgsa. Układy kwarków są tylko jednymi z odmian cząstek elementarnych, za które już przyznano Nagrodę Nobla, dlatego trudno spodziewać się, by doczekały się one kolejnej.

Fizycy zaobserwowali rozpad barionu o nazwie Lambda b na trzy inne cząstki: proton, J-psi i naładowany kaon. Analiza widma masy układu dwóch z tych cząstek wykazała, że tworzy on czasami pośrednie stany związane. Zostały one nazwane Pc(4450)+ i Pc(4380)+.

- Zbadaliśmy wszystkie możliwości pochodzenia tych sygnałów i stwierdziliśmy, że można je wyjaśnić tylko poprzez istnienie pentakwarków. Mówiąc dokładniej - stany przejściowe muszą być utworzone z dwóch kwarków górnych, jednego kwarka dolnego, jednego kwarka powabnego i jednego antykwarka powabnego - powiedział Tomasz Skwarnicki, fizyk z Syracuse University, uczestnik badań w LHCb.

Potwierdzenie istnienia pentakwarków otwiera drzwi do wykrycia nowych stanów materii, choćby tych obserwowanych w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu.

Polski wątek

Niektóre media błędnie dzisiaj podały, że pojawiła się szansa na Nobla dla Polaka - prof. Michała Praszałowicza, który w 1987 miał rzekomo teoretyzować właśnie o pentakwarkach. Profesor Praszałowicz oficjalnie zaprzeczył tej informacji. Poniżej pozwoliliśmy sobie zaprezentować jego odpowiedź i przy okazji ciekawy komentarz dla całego zdarzenia naukowego (komentarz pochodzi ze strony www.th-www.if.uj.edu.pl/~michal/:)

"Cząstka, której odkrycie ogłoszono dziś w CERNie nie jest tym pentakwarkiem, którego dotyczyła moja praca (a właściwie tzw. "doniesienie konferencyjne") z roku 1987. W tamtej pracy chodziło o cząstkę składającą się z kwarków lekkich, tzn. takich których masa stanowi kilka lub kilkanaście procent masy protonu. Tymczasem pentakwark z CERN'u zawiera parę dwóch ciężkich kwarków (tzw. kwark c i anty-c), z których każdy ma masę około 30 proc. większą od masy protonu. Dynamika układów z kwarkami ciężkimi jest zupełnie inna niż dynamika układów z kwarkami lekkimi. Ja się nigdy nie zajmowałem układami ciężkimi, a moja praca z roku 1987 i późniejsze prace na temat pentakwarków do układów z ciężkimi kwarkami się nie stosują.

Losy lekkiego pentakwarka są dość skomplikowane. W roku 2003 ogłoszono jego odkrycie i wiele grup doświadczalnych to potwierdziło. Potem jednak po dokładniejszych badaniach okazało się, że w nowych danych nie zaobserwowano lekkich pentakwarków. Obecnie tylko dwa eksperymenty podtrzymują wcześniejsze wyniki. Jednak wyniki te traktowane są przez środowisko naukowe ze sceptycyzmem. Osobiście mam nadzieję, że ogłoszone dzisiaj odkrycie doprowadzi do przeprowadzenia eksperymentu tzw. "formacji", który w jednoznaczny sposób rozstrzygnąłby kwestię istnienia lekkich pentakwarków".