Wielki Zderzacz Hadronów pozwolił odnaleźć nową cząstkę subatomową – ogłosili naukowcy z CERN

Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider, LHC) jest jednym z najbardziej niezwykłych urządzeń badawczych na świecie. Zbudowany przez Europejską Organizację Badań Jądrowych (CERN) akcelerator cząstek to naszpikowany czułą aparaturą 27-kilometrowy podziemny pierścień, w którym rozpędza się protony do prędkości bliskiej prędkości światła i zderza je ze sobą. Dzięki tym zderzeniom naukowcy badają podstawowe składniki materii i prawa rządzące Wszechświatem. To właśnie w LHC odkryto m.in. bozon Higgsa w 2012 roku.

Jednak na tym lista się nie kończy. LHC pozwolił odkryć dziesiątki nowych hadronów, w tym egzotyczne układy, takie jak tetrakwarki i pentakwarki. Dzięki zderzeniom ciężkich jonów naukowcy odtworzyli także plazmę kwarkowo-gluonową – stan materii istniejący tuż po Wielkim Wybuchu.

Dwa kwarki powabne

Teraz fizycy wysokich energii z CERN ogłosili, że eksperyment LHCb pozwolił wykryć cząstkę zawierającą dwa kwarki powabne (doubly charmed particle). Przypomina proton, lecz jest czterokrotnie cięższa.

Atomy wodoru, najprostszego i najpowszechniejszego pierwiastka w obserwowalnym Wszechświecie, zawierają jedynie proton i elektron. Protony, wraz z neutronami w cięższych atomach, składają się z elementarnych cząstek subatomowych zwanych kwarkami. Proton zawiera dwa kwarki górne (up) i jeden kwark dolny (down). Istnieją jednak cięższe, niestabilne odmiany kwarków, znane jako powabne (charm), dziwne (strange), górne (top) i dolne (bottom).

W ciężkim protonie wykrytym w CERN oba kwarki górne zostały zastąpione kwarkami powabnymi. Cząstka o nazwie Xi-cc-plus, została zidentyfikowana dzięki charakterystycznemu rozpadowi na inne cząstki. Po pojawieniu się nie istnieje długo: naukowcy przypuszczają, że przetrwa krócej niż jedną milionową część milionowej części sekundy, zanim ulegnie rozpadowi. Jednak sama wiedza o jej istnieniu – oraz znajomość jej masy – może pomóc fizykom lepiej zrozumieć strukturę materii.

Silne oddziaływania jądrowe

– Jest to pierwsza nowa cząstka zidentyfikowana po modernizacji detektora LHCb zakończonej w 2023 roku – napisał w komunikacie prasowym rzecznik eksperymentu dr Vincenzo Vagnoni. Nowo odkryta cząstka pomoże fizykom lepiej zrozumieć silne oddziaływanie jądrowe, które spaja składniki wszystkich jąder atomowych. Oddziaływanie to jest nietypowe, ponieważ zachowuje się jak gumowa taśma – staje się silniejsze wraz ze wzrostem odległości między cząstkami subatomowymi.

Zagadka sprzed 25 lat

Odkrycie wiąże się również zagadką sprzed niemal 25 lat. W 2002 roku fizycy z amerykańskiego ośrodka Fermilab w Illinois zaobserwowali ślady cząstki, która mogła być Xi-cc-plus. Jednak była ona znacznie lżejsza niż przewidywała teoria, a poziom pewności oszacowania jej masy nie osiągnął standardu 5 sigma wymaganego dla odkrycia cząstki subatomowej.

Po 15 latach, w 2017 roku zespół LHCb w CERN odkrył podobny typ barionu, znany jako Ξcc++ („Xi-cc-plus-plus”). Fizycy spodziewali się, że Xi-cc-plus będzie miał zbliżoną masę. Najnowsze obserwacje potwierdzają te oczekiwania z poziomem pewności 7 sigma.

CERN poinformował, że nowa cząstka zwiększa łączną liczbę hadronów odkrytych w eksperymentach LHC do 80. Odkrycie Xi-cc-plus nie jest tak przełomowe, jak to z 2012 roku, gdy LHC pozwolił odnaleźć bozon Higgsa, jednak – jak zaznaczył Vagnoni – poszerzy granice fizyki.

Wielka modernizacja LHC

– Wynik ten pomoże teoretykom testować modele chromodynamiki kwantowej – teorii silnego oddziaływania, które wiąże kwarki nie tylko w konwencjonalne bariony i mezony, ale także w bardziej egzotyczne hadrony, takie jak tetrakwarki i pentakwarki – wyjaśnił włoski naukowiec.

To jeszcze nie koniec zadań stojących przez Wielkim Zderzaczem Hadronów. Obecna tura testów zakończy się w czerwcu tego roku. Następnie urządzenie zostanie wyłączone na kilka lat. Przejdzie w tym czasie potężną modernizację znaną jako projekt High-Luminosity Large Hadron Collider. Modernizacja ma zwiększyć zdolność akceleratora do zderzeń cząstek dziesięciokrotnie w porównaniu z pierwotnymi założeniami. Po jej zakończeniu, około 2030 roku, fizycy uzyskają jeszcze większe możliwości prowadzenia badań.

Źródło: CERN

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.