V Cernu odkrili novo vrsto delca – pentakvark

Če bi znanstveniki v Cernu namenjali več pozornosti odnosom z javnostjo, svojega najnovejšega odkritja, epohalne potrditve obstoja novega delca pentakvarka, ne bi objavili minuli torek, ko so bili vsi pogledi usmerjeni k Plutonu. A če bi namenjali več pozornosti javnosti, morda pentakvarkov sploh (še) ne bi izsledili.

In ko so ta izmuzljivi delec pol stoletja po prvi teoretični domnevi končno le zasledili, jih ni motilo, da bo njihovo odkritje objavljeno v senci prvih bližnjih posnetkov Plutona. Verjeli so – upravičeno, da kljub zasluženemu zmagoslavju misije Nova obzorja s posnetki Plutona njihovo odkritje ne bo ostalo neopaženo.

Le kako bi, saj pentakvark po besedah Guya Wilkinsona, predstavnika za stike z javnostjo pri eksperimentu LHCb v Cernu, kjer so pentakvark opazili in potrdili, ni zgolj novi delec. »V bistvu predstavlja način združevanja kvarkov, temeljnih sestavnih delov subatomskih delcev protonov in nevtronov, v vzorec, ki ga kljub 50-letnemu eksperimentalnemu prizadevanju do sedanjega odkritja nismo videli.«

Zdaj ko so fiziki v Cernu potrdili njegov obstoj, bomo, poudarja Wilkinson, s proučevanjem njegovih lastnosti lahko bolje razumeli sestavo običajne materije, to je protonov in nevtronov, ki sestavljajo vse okoli nas in tudi nas same.

Desetletja le namigi

Obstoj pentakvarka je prvi že leta 1964 predvidel ameriški fizik Murray Gell-Mann. Takrat je objavil domnevo o skupini subatomskih delcev, kot so barioni, sestavljeni iz protonov in nevtronov, ki pa jo sestavljajo še manjši subatomski delci, znani kot kvarki. Po njegovi teoriji naj bi obstajala skupina delcev, mezoni, sestavljeni iz kvarkov in njihovih nasprotnih parov, antikvarkov. Teorijo so kmalu potrdili eksperimenti in Gell-Mann je zanjo leta 1969 dobil Nobelovo nagrado za fiziko.

Podrobna obdelava Gell-Mannove domneve je nadalje vodila k sklepu o obstoju še enih, še bolj eksotičnih delcev: pentakvarkov, sestavljenih iz štirih kvarkov in enega antikvarka. Fiziki po svetu so s poskusi mrzlično iskali take delce in nekajkrat celo naleteli na namige, da v resnici obstajajo. Toda ostalo je pri namigih – zares jim pentakvarka ni uspelo odkriti.

Desetletja neuspešnega iskanja so pokazala, da so ti delci tako zelo izmuzljivi, da bi jih bilo celo v največjih fizikalnih eksperimentih mogoče zaslediti le po naključju. To se je zdaj tudi zgodilo. Pentakvark so opazili v eksperimentu LHCb, ki raziskuje razlike med materijo in antimaterijo in analizira nekatere kvarke. Je eden od štirih detektorjev v Velikem hadronskem trkalniku v 27 kilometrov dolgem krožnem predoru sto metrov pod zemljo na obrobju Ženeve. Prav tam so med letoma 2010 in 2012 odkrili Higgsov bozon, ki je Cernu in Petru Higgsu, ki ga je prvi napovedal, prinesel Nobelovo nagrado za fiziko.

Po dveletnem premoru in obnovi magnetov Veliki hadronski trkalnik, največji na svetu, od maja spet deluje – tokrat se trki v njem dogajajo z dvakrat večjo energijo in pri hitrosti, blizu svetlobni. A pentakvarka niso izsledili zdaj, pač pa že prej. Toda opraviti so morali dolgotrajne analize velikanske množice podatkov, da so lahko njegov obstoj res potrdili.

Naključno odkritje

»V resnici pentakvarka nismo aktivno iskali, pač pa smo nanj naleteli bolj ali manj po naključju,« priznava Patrick Koppenburg, koordinator za fiziko v Velikem hadronskem trkalniku. Raziskovali so, kako subatomski delci, znani kot barioni lambda B , razpadajo na tri delce in v tem procesu prehajajo v druge, vmesne delce. Ko so analizirali podatke iz teh trkov, so opazili špice, ki so nakazovale, da se barioni lambda b med razpadom na tri druge delce za hip ustavijo in preidejo v drugačno, vmesno stanje. To vmesno stanje naj bi bili pentakvarki.

Toda to odkritje še ni pomenilo zmagoslavja. »Pri domnevnih odkritjih pentakvarkov je tolikokrat šlo za lažne signale, da smo bili tokrat zelo previdni, preden bi karkoli objavili,« je za Live Science povedal soavtor študije Tomasz Skwarnicki, sicer profesor fizike na univerzi Syracuse v New Yorku. »Preverili smo vse možnosti, ki bi jih lahko pomenili ti signali, in nato ugotovili, da jih lahko pojasnimo le s stanjem pentakvarka.«

Tudi druga soavtorica, Sheldon Stone, prav tako z univerze Syracuse, je potrdila, da so bili zelo previdni z objavo odkritja. »Raziskovali smo nekaj drugega, zato se sprva za te signale celo nismo zmenili,« je zapisala v reviji Nature. »Zgodovina neuspelega raziskovanja pentakvarkov nas je opominjala, naj bomo previdni, zato smo vse, kar je bilo mogoče, skrbno preverili.«

Plod skrbnih analiz in številnih preverjanj je zdaj ugotovitev, da ti signali res pomenijo pentakvarke. Ponašajo se s pečatom natančnosti 10 sigma, kar pomeni, da obstaja le ena v skupku 1022 možnosti, da bi signal pomenil zgolj statistično fluktuacijo v podatkih.

»Signali, ki smo jih opazili, so tako zanesljivo pentakvarki,« potrjuje Koppenburg. Zasledili so jih v podatkih iz trkov, posnetih v letih od 2009 do 2012. O odkritju so že pripravili članek, ki bo objavljen v znanstveni reviji Physics Review Letters.

Nove avenije raziskovanja

Pentakvarke so torej v Velikem hadronskem trkalniku opazili v istem obdobju, ko so zasledili tudi Higgsov bozon, manjkajoči delec iz teorije standardnega modela. Higgsov bozon omogoča maso materiji in na podlagi njegovega odkritja zdaj fiziki poskušajo odkriti temno snov, ki zapolnjuje večino našega vesolja.

Tudi odkritje pentakvarka odpira nove avenije razumevanja vesolja. Ne le da prav tako potrjuje teorijo standardnega modela, ampak načenja še nova vprašanja. Še vedno na primer ni jasno, kako so pentakvarki »zlepljeni«. Po nekaterih teorijah so sestavine pentakvarka tesno vezane, po drugih pa je med njimi ohlapna zveza. Nekateri fiziki zato predlagajo, da bi jih bilo pravilneje opisati kot nekakšne minimolekule, sestavljene iz dveh kvarkovih mezonov in treh kvarkovih barionov, ki jih skupaj veže močna jedrska sila. Razumevanje, kako jih ta sila veže v pentakvark, bi utegnilo biti pomembno tudi za razumevanje, kako se oblikujejo zvezde.

»Trenutno si prizadevamo, da bi našli še druge delce s petimi kvarki in še bolj raziskali njihovo naravo. Več znanja o njih bi nam morda pojasnilo celo to, kaj veže materijo v našem telesu in kako,« pojasnjuje Wilkinson. »Prav tako bi nemara bolje razumeli, kaj se dogaja z zvezdami na koncu življenjskega cikla.«

In zakaj je iskanje pentakvarka trajalo kar pol stoletja? Po Wilkinsonovih besedah odgovora za zdaj nimamo. Prepričan pa je, da obstaja še veliko pentakvarkov. »V naših analizah smo našli dva, eden je zelo očiten, drugega je malo težje videti. Veliko pa jih še čaka, da jih odkrijemo.«

Z energijsko okrepljenimi trki v posodobljenem Velikem hadronskem trkalniku naj to ne bi bilo več tako težko. V njem je namreč zdaj mogoče iskati pentakvarke pod številnimi različnimi koti. »To je tako, kot če bi v prejšnjih poskusih sence iskali v temi, s posodobljenim trkalnikom pa je iskanje veliko lažje – kot če bi nekaj iskali pri močni osvetlitvi in z več zornih kotov,« navaja poročilo iz Cerna.