Fizicienii descoperă o nouă clasă misterioasă de particule ce conțin cinci quarci

Totul ce vedeți în jurul vostru este compus din particule elementare numite quarci şi leptoni, care se pot combina pentru a forma particule mai mari, cum ar fi protonii şi atomii.

Dar acest fapt nu le face neinteresante — aceste particule subatomice se pot combina şi în moduri exotice, pe care nu le-am mai văzut niciodată.

Acum, colaborarea LHCb (Large Hadron Collider beauty ) de la CERN au anunţat descoperirea (en) unei serii de particule noi, denumite „pentaquarci”.

Vedeţi şi: Oamenii de ştiinţă de la CERN spun că LHC a confirmat două particule noi, şi posibil a descoperit-o pe a treia

Rezultatele pot ajuta la dezvăluirea mai multor mistere ale teoriei quarcilor, o parte esențială a modelului standard al fizicii particulelor.

Quarcii pentru prima dată au fost propuşi (en) pentru a explica mulțimea dezordonată de particule noi descoperite în razele cosmice şi experimentele cu acceleratoarele de particule de la mijlocul secolului al XX-lea.

Această „grădină zoologică” de particule în creștere, aparent fundamentale, a provocat consternare printre fizicieni, ce au o părtinire naturală faţă de simplicitate şi ordine — şi urăsc să ţină minte mai mult de câteva principii de bază.

Faimosul fizician italian, Enrico Fermi (en), a prins starea de spirit a colegilor săi, atunci când a spus (en): „Tinere, dacă eu aş putea ţine minte numele tuturor acestor particule, aş fi fost botanist”.

Din fericire, în anul 1960, fizicianul american Murray Gell-Man (en) a observat criterii distinctive (modele) în grădina zoologică a particulelor, similar cu cele consemnate de Dmitri Mendeleev, atunci când a întocmit tabelul periodic al elementelor chimice.

La fel cum tabelul periodic a implicat prezenţa unor lucruri mai mici ca atomii, teoria lui Gell-Mann a sugerat existenţa unei noi clase de particule fundamentale.

Fizicienii, în cele din urmă, au fost capabili să explice sutele de particule din grădina zoologică ca fiind rezultatul legăturii în diferite moduri dintre un număr mult mai mic de particule cu adevărat fundamentale, numite quarci.

Misterioşii hadroni

Există şase tipuri de quarci în modelul standard — down, up, strange, charm, bottom şi top.

Aceştia, de asemenea, au companioni sub formă de „antimaterie” — se crede că fiecare particulă are o versiune, ce este practic identică cu ea însăşi, dar cu o sarcină opusă.

Quarcii şi antiquarcii se leagă împreună pentru a creea particulele cunoscute ca hadroni.

Vedeţi şi: Cel mai mare spărgător de atomi posibil tocmai a găsit dovezi de ce Universul nostru există sau de ce este mai multă materie decât antimaterie

Conform modelului lui Gell-Man, există două clase largi de hadroni.

Una dintre ele este cea a particulelor formate din trei quarci numiţi barioni (care includ protonii şi neutronii ce formează nucleul atomului), iar celelalte particule, cunoscute ca mezoni, sunt formate dintr-un quarc şi un antiquarc.

Până nu demult, barionii şi mezonii erau singurele tipuri de hadroni care au fost văzuţi în experimente.

Cu toate acestea, în anii 1960, Gell-Mann a propus şi posibilitatea unor combinații mai exotice de quarci, cum ar fi tetraquarcii (doi quarci şi doi antiquarci) şi pentaquarcii (patru quarci şi un antiquarc).

În 2014, LHCb, care a condus unul dintre cele patru experimente uriaşe ale CERN-ului, a publicat un rezultat (en) care arată că particula, denumită pe scurt Z(4430)⁺, a fost de fapt un tetraquarc.

Aceasta a dat start unei rafale de interes pentru hadronii exotici.

Apoi, în 2015, LHCb a anunţat descoperirea primului pentaquarc (en), adăugând o clasă nouă de particule la familia hadronilor.

Rezultatele prezentate acum de LHCb, extind prima descoperire a pentaquarcului prin găsirea suplimentară a unor astfel de particule.

Acest lucru a fost posibil datorită unui număr mare de date noi înregistrate în timpul celei de a doua runde a lansării Large Hadron Collider (en).

Liming Zhang, un profesor asociat la Universitatea Tsinghua din Beijing şi unul din fizicienii care a efectuat măsurările, a spus că „acum avem de zece ori mai multe date decât în 2015, ceea ce ne permite să vedem structuri mult mai interesante şi fine, decât era posibil anterior”.

Când Liming şi colegii săi au examinat pentaquarcul descoperit iniţial în 2015, au fost surprinşi să afle că el s-a împărţit în două.

Pentaquarcul iniţial, de fapt, reprezenta două particule separate de pentaquarci, ce aveau o masă atât de similară, încât ei arătau ca o singură particulă.

Chiar dacă doi pentaquarci la prețul unuia era destul de captivant, LHCb a mai găsit un al treilea pentaquarc cu o masă puțin mai mică decât celelalte două.

Toate cele trei pentaquarc-uri sunt compuse dintr-un quarc down, doi quarci up, un quarc charm şi un antiquarc charm.

Marea întrebare acum este: care este structura internă precisă a acestor pentaquarci?

Una din opţiuni este că ei cu adevărat sunt compuși din cinci quarci, toți fiind amestecați împreună în mod egal într-un hadron.

O altă posibilitate este că, pentaquarcii sunt de fapt un barion şi un mezon lipiţi împreună pentru a forma o moleculă slab legată, similar cu modul în care protonii şi neutronii se leagă împreună în interiorul nucleului atomic.

Tomasz Skwarnicki, profesor de fizică la Universitatea Syracuse din New York, care, de asemenea, a lucrat la calcule, a spus că noua stare companion „se află la o masă ce ne oferă indicii despre structura internă a pentaquarc-urilor”.

Cea mai probabilă opțiune este că aceşti pentaquarci sunt molecule de barion-mezon, a adăugat el.

Pentru a fi absolut siguri, fizicienii vor avea nevoie de mai multe date experimentale, precum şi de mai multe studii din partea teoreticienilor, ceea ce înseamnă că povestea acestor pentaquarci este departe de a fi pe sfârşite.

Aceste rezultate completează o săptămână de noi anunțuri interesante de la LHCb, care a inclus descoperirea unui nou tip de asimetrie materie-antimaterie.

LHC încă nu a descoperit particule dincolo de modelul standard ce pot contribui la explicarea misterelor precum materia întunecată, o substanță invizibilă, dar necunoscută, ce constituie majoritatea materiei din univers.

Vedeţi şi: Pentru prima dată a fost observată descompunerea bosonului Higgs – Modelul Standard a rezistat

Dar aceste măsurători interesante arată că mai sunt multe lucruri de învățat despre particulele şi forţele modelului standard.

S-ar putea ca cea mai bună șansă de a găsi răspuns la marile întrebări cu care se confruntă fizica fundamentală în secolul 21, constă mai degrabă în studiul mai detailat a particulelor pe care deja le cunoaștem, decât în descoperirea altor noi.

În orice caz, mai sunt multe de descoperit.

Articolul a fost publicat în The Conversation.