Po 48 latach potwierdzono istnienie odderonu

Cząstka elementarna znana jako odderon, została przewidziana teoretycznie w 1973 r. przez Leszka Łukaszuka i Basarabę Nicolescu. Opisali ją jako rzadkie, krótkotrwałe połączenie trzech mniejszych cząstek znanych jako gluony. Od tego czasu podejrzewano, że odderon może pojawić się, gdy protony zderzą się ze sobą z ekstremalną prędkością, choć dokładne warunki, które mogłyby do tego doprowadzić, pozostawały niejasne.

Teraz, po porównaniu danych z Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), który zasłynął z odkrycia bozonu Higgsa, oraz Tevatronu, nieistniejącego już amerykańskiego akceleratora cząstek o długości 6,3 km, który do 2011 r. rozbijał protony i antyprotony w Illinois, naukowcy przedstawili niezbite dowody na istnienie odderonu.

Naukowcy z LHC i Tevatronu odnotowywali zderzenia cząstek i  obserwowali, co się stanie. Doszli do wniosku, że odderony będą pojawiać się w nieco innym tempie w zderzeniach proton-proton i proton-antyproton. Różnica ta ujawniałaby się w postaci niewielkiej dysproporcji pomiędzy częstotliwościami protonów odbijających się od innych protonów i częstotliwościami protonów odbijających się od antyprotonów.

Zderzenia w LHC i Tevatronie miały miejsce na różnych poziomach energetycznych. Naukowcy stojący za nowymi badaniami opracowali matematyczną metodę porównywania danych. W ten sposób powstał wykres, który nazwano "money plot".

Niebieska linia, reprezentująca zderzenia proton-antyproton, nie pokrywa się idealnie z czerwoną linią, która reprezentuje zderzenia proton-proton. Ta różnica to znak rozpoznawczy odderonu - wykazany ze statystyczną istotnością 5 sigma. To oznacza, że prawdopodobieństwo przypadkowego pojawienia się takiego efektu bez udziału odderonów wynosiłoby 1 na 3,5 miliona.

Zasadniczo, jest to rzadka kombinacja trzech "lepkich" cząstek znanych jako gluony. 

Protony nie są fundamentalnymi, niepodzielnymi składnikami materii. Są one zbudowane z trzech kwarków i wielu gluonów. Kwarki to najcięższe kule subatomowego świata, stosunkowo nieporęczne, odpowiedzialne za masę protonów i neutronów (a co za tym idzie, za większość masy atomów) oraz za ładunek elektromagnetyczny. Ale gluony odgrywają równie ważną rolę: przenoszą oddziaływania silne, jedną z czterech fundamentalnych sił Wszechświata, odpowiedzialne za "sklejanie" kwarków w protony i neutrony, a następnie wiązanie tych protonów i neutronów ze sobą wewnątrz jąder atomowych. 

Kiedy protony zderzają się przy bardzo wysokich energiach w zderzaczach cząstek, takich jak LHC, rozbijają się na kawałki w około 75 proc. przypadków. W pozostałych 25 proc. czasu odbijają się od siebie jak kule bilardowe. W tym drugim przypadku - procesie zwanym rozpraszaniem elastycznym - protony "przeżywają" spotkanie. Fizycy uważają, że jest to możliwe, ponieważ protony wymieniają między sobą dwa lub trzy gluony. W krótkim punkcie kontaktu, ten zestaw gluonów przemieszcza się z wnętrza jednego protonu do wnętrza drugiego protonu.

- W fizyce wysokich energii zawsze wymieniamy jakieś cząstki, gdy dwa protony lub proton z antyprotonem oddziałują ze sobą. W większości przypadków będzie to jeden gluon - powiedział Christophe Royon, fizyk z Uniwersytetu w Kansas.

Ważne jest, że zarówno zderzenia proton-proton, jak i zderzenia proton-antyproton wymieniają cząstki, ponieważ to właśnie w subtelnej różnicy między tymi dwoma rodzajami wymian ujawniono istnienie odderonu.

Od czasu do czasu podczas zderzenia pojawia się quasi stan zwany kulą gluonową - para lub trio gluonów. Naukowcy już wcześniej potwierdzili istnienie podwójnej kuli gluonowej, ale teraz po raz pierwszy zaobserwowali z całą pewnością potrójną kulę gluonową zwaną odderonem. 

Te kule gluonowe utrzymują protony w stanie nienaruszonym z powodu właściwości zwanej kolorem. Kolory (i antykolory) są podobne do dodatnich i ujemnych ładunków elektromagnetycznych - kontrolują one sposób, w jaki kwarki i gluony przyciągają się lub odpychają od siebie w systemie znacznie bardziej skomplikowanym niż elektromagnetyzm, znanym jako chromodynamika kwantowa. Kwarki i gluony mogą mieć jeden z trzech ładunków sklasyfikowanych jako czerwony, zielony lub niebieski. Kombinacja czerwonego, zielonego i niebieskiego jest określana jako "biała", a więc zrównoważona.  

Antykwarki natomiast mają antykolory - antyczerwony, antyzielony i antyniebieski - które znoszą się ze swoimi kolorowymi odpowiednikami, tworząc stabilny, zrównoważony biały ładunek. A gluony mają zarówno kolory, jak i antykolory.

- Ale poszczególne gluony są zawsze niestabilną mieszaniną koloru i antykoloru: niebieskiego i antyzielonego albo czerwonego i antyniebieskiego, itd. Każdy gluon ma swój kolor i antykolor. I te gluony nie lubią być same - dodał Royon.

Kiedy pojedynczy gluon wchodzi do nowego protonu, chwyta się innych cząstek. Pojedynczy gluon stara się połączyć w pary z cząstkami, które równoważą jego kolor i antykolor. Ale kolory wewnątrz protonu są już w równowadze, a wejście obcego, niestabilnego gluonu zakłóca wewnętrzną równowagę, uruchamiając kaskadę zdarzeń, które rozrywają cząstkę na strzępy. Tak właśnie dzieje się w 75 proc. zderzeń, kiedy protony rozpadają się na kawałki.

Ale w 25 proc. przypadków, gdy protony odbijają się od siebie zamiast rozpadać się, jest to znak, że wymiana gluonów dotyczyła podwójnych lub potrójnych kul gluonowych (odderon), a więc nie zakłóciła wewnętrznej równowagi protonów. Podwójne kule gluonowe mają swoją własną równowagę wewnętrzną. Ich ładunki koloru i antykoloru są dopasowane i łatwo przesuwają się z jednego protonu na drugi bez rozrywania ich na strzępy. W 1973 r. naukowcy wykazali, że trzy gluony powinny teoretycznie być w stanie utworzyć potrójną kulę gluonową, w której kolor czerwony, zielony i niebieski równoważą się nawzajem. Nazwali tę cząstkę odderonem.

Wymiana gluonów i multigluonów zachodzi przez najkrótsze chwile przy najbardziej ekstremalnych energiach. Do tej pory nikt nigdy nie widział ani nie wykrył bezpośrednio odderonu (ani podwójnego gluonu, choć jego istnienie zostało pośrednio potwierdzone).

Wykrycie odderonu nie zmieni oblicza fizyki. Wielu badaczy jest zdania, że nie jest to prawdziwa cząstka w ogóle, ale tzw. kwazicząstka, ponieważ jest niczym więcej niż tymczasowym układem mniejszych cząstek. To samo można jednak powiedzieć o protonach i neutronach. Royon powiedział, że odkrycie jest ważne, ponieważ potwierdza, że podstawowe idee fizyki cząstek, których naukowcy używali, aby przewidzieć istnienie odderonu w 1973 roku, były poprawne.