Polowano na nią przez pół wieku. Fizycy znaleźli nieuchwytną cząstkę zbudowaną z czystej siły
Przez ponad pół wieku fizycy poszukiwali dowodu na istnienie jednej z najbardziej egzotycznych form materii we Wszechświecie – kuli gluonowej. Ta osobliwa cząstka, składająca się niemal wyłącznie z nośników oddziaływań silnych, została w końcu znaleziona przez międzynarodowy zespół naukowców w Chinach.
Zespół pracujący na akceleratorze cząstek BES III w Pekinie ogłosił znalezienie najsilniejszego jak dotąd dowodu na istnienie kuli gluonowej, czyli stanu materii przewidzianego jeszcze w latach 70. XX wieku. Tajemnicza cząstka, oznaczana symbolem X(2370) to obiekt, którego masa pochodzi z energii wiązania gluonów, a nie z obecności kwarków. To wielkie osiągnięcie teoretyczne i eksperymentalne, które przesuwa granice naszej wiedzy o fundamentach fizyki.
Siła, która staje się materią. Czym jest kula gluonowa?
Aby zrozumieć naturę nowej cząstki, musimy przyjrzeć się naszej wiedzy o budowie materii. Cząsteczki zbudowane są z atomów, atomy z elektronów i jąder, a jądra z protonów i neutronów. Te ostatnie składają się z trio kwarków, które są utrzymywane razem przez „kwantowy klej” – gluony. Gluony to nie posiadające masy nośniki oddziaływań silnych, które wiążą kwarki ze sobą. W odróżnieniu jednak od fotonów, które przenoszą oddziaływania elektromagnetyczne, ale same nie posiadają ładunku elektrycznego i nie wchodzą ze sobą w bezpośrednie reakcje, gluony posiadają tzw. ładunek kolorowy.
Oznacza to, że gluony potrafią przyciągać się nawzajem z ogromną siłą, co teoretycznie pozwala im tworzyć stabilne (choć krótkotrwałe) skupiska bez udziału żadnych kwarków. Taka kula gluonowa (ang. glueball) w teorii jest cząstką zbudowaną w całości z energii pola sił. Choć fizycy teoretyczni podejrzewali jej istnienie od bardzo dawna, poszukiwania były niezwykle trudne. „Glueballe” mogą mieszać się ze zwykłymi cząstkami kwarkowymi, tworząc hybrydy trudne do odróżnienia w zgiełku kolizji zachodzących w akceleratorach cząstek.
Pięćdziesiąt lat łowów zwieńczone w chińskim akceleratorze
Przełom nastąpił w Instytucie Fizyki Wysokich Energii (IHEP) w Pekinie, gdzie wykorzystano akcelerator BEPCII do zderzania elektronów z ich odpowiednikami w świecie antymaterii – pozytonami. W wyniku tych wysokoenergetycznych kolizji powstaje ogromna liczba mezonów J/ψ (J/psi), które niemal natychmiast ulegają rozpadowi. Fizycy od dawna uważali, że produkty rozpadu J/ψ to najlepsze miejsce do poszukiwań kul gluonowych, ponieważ proces ten jest niezwykle bogaty w gluony.
Zespół 700 badaczy z 15 krajów, przeanalizował rekordową liczbę ponad 10 miliardów rozpadów mezonów J/ψ, zebranych w ciągu ostatnich lat. Skrupulatna analiza tych subatomowych zdarzeń, pozwoliła zauważyć sygnały cząstki X(2370), która po raz pierwszy została dostrzeżona w 2011 roku. Dopiero teraz jednak udało się z tak dużą precyzją zmierzyć jej właściwości, by z wysokim prawdopodobieństwem stwierdzić: tak to poszukiwana od 50 lat kula gluonowa!
Dowody, obok których nie da się przejść obojętnie
Przełomowe znalezisko zaprezentowano na Międzynarodowej Konferencji Fizyki Wysokich Energii (ICHEP) w Brazylii. Preprint artykułu naukowego na temat odkrycie pojawił się też w serwisie arXiv.
Przedstawiono dowody, że X(2370) posiada masę oraz spin i parzystość zgodne z przewidywaniami chromodynamiki kwantowej. Wykazuje też brak preferencji wobec sześciu rodzajów (tzw. zapachów) kwarków, wiążąc się z nimi z jednakową siłą. To zgodne z teoretycznymi przewidywaniami. Ponieważ gluony oddziałują jednakowo ze wszystkimi zapachami kwarków, to właśnie ta cecha jest uznawana za znak rozpoznawczy kuli gluonowej.
Według szacunków zespołu badawczego, X(2370) w około 90 procentach składa się z gluonów. Choć fizycy zaznaczają, że w świecie kwantowym żadna cząstka nie jest „czysta” w 100 procentach, taki wynik jest już uznawany za dowód na istnienie tego egzotycznego stanu materii.
Rewolucja w rozumieniu Wszechświata
Odkrycie to jest określane przez ekspertów jako „eksperymentalny triumf”. Shan Jin, jeden z liderów zespołu z Uniwersytetu w Nankinie, podkreśla, że wynik ten nie tylko pozwala chromodynamice kwantowej przejść jeden z najbardziej rygorystycznych testów, ale także otwiera zupełnie nową drogę do badania sił wiążących materię.
To osiągnięcie ma fundamentalne znaczenie, ponieważ kula gluonowa jest jedynym znanym rodzajem cząstki w naturze, złożonym wyłącznie z nośników oddziaływań. To obiekt tak osobliwy, że trudny do wyobrażenia w makroskopowym świecie.
Mimo entuzjazmu jaki opanował świat fizyki teoretycznej, odkrycie czeka na niezależną weryfikację wyników w innych laboratoriach. Może to być jednak trudne i czasochłonne, ponieważ pekiński akcelerator jest w tej chwili jedynym urządzeniem na świecie, dedykowanym do precyzyjnych poszukiwań w tym zakresie energii.
Jednak dla wielu badaczy, którzy spędzili nierzadko całe swoje kariery polując na kule gluonowe, to moment historyczny. Po prezentacji wyników w Brazylii, Shan Jin był nawet proszony o autografy, co – jak zauważył w rozmowie z „Science” – zdarza się raczej gwiazdom filmowym niż fizykom cząstek elementarnych.
Szukasz więcej inspirujących podróży, fascynujących odkryć i opowieści ze świata nauki? Skorzystaj ze specjalnej oferty prenumeraty magazynów National Geographic Polska i National Geographic Traveler.
Nasza autorka
Magdalena Rudzka
Redaktorka i wydawczyni National-Geographic.pl. Wcześniej związana m.in. z National Geographic Traveler i magazynem pokładowym PLL LOT Kaleidoscope. Z wykształcenia humanistka (MISH i SNS PAN), ale to przyroda stanowi jej największą pasję. Szczególnie bliskie są jej ekosystemy słodkowodne, a prawdziwym „konikiem” są ryby. W National-Geographic.pl pisze o swoich przyrodniczych pasjach, nauce i medycynie. Prywatnie ceni sobie podróże po nieoczywistych kierunkach, ze szczególnym sentymentem do Europy Środkowej i Wschodniej.