Tetrakwark Tcc+, cząstka podwójnie powabna

Do odkrycia doprowadził eksperyment LHCb – jeden z siedmiu eksperymentów, wykorzystujących detektory cząstek elementarnych do gromadzenia danych w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN. Tetrakwark Tcc+ to najdłużej żyjąca cząstka materii egzotycznej, jaką kiedykolwiek odkryto i pierwsza zawierająca dwa ciężkie kwarki i dwa lekkie antykwarki.

Kwarki są podstawowymi elementami budulcowymi, z których zbudowana jest materia. Łączą się one w hadrony, czyli bariony, takie jak proton i neutron, które składają się z trzech kwarków, i mezony, które tworzą pary kwark-antykwark. W ostatnich latach odkryto szereg tak zwanych egzotycznych hadronów – cząstek z czterema lub pięcioma kwarkami zamiast konwencjonalnych dwóch lub trzech. Nowe odkrycie dotyczy szczególnie unikalnego egzotycznego hadronu - jest on egzotyczny nawet na tle innych egzotycznych cząstek.

W ostatnich latach odkryto kilka tetrakwarków (w tym jeden z dwoma kwarkami powabnymi i dwoma antykwarkami powabnymi), ale Tcc+ to pierwszy, który zawiera dwa kwarki powabne, bez równoważących je antykwarków powabnych. Fizycy nazywają to „otwartym powabem” (w tym przypadku „podwójnym otwartym powabem”). Cząstki zawierające kwark powabny i antykwark powabny mają „ukryty powab” – dla całej cząstki liczba kwantowa powabna sumuje się do zera - tak, jak zrobiłby to dodatni i ujemny ładunek elektryczny. W przypadku Tcc+ liczba kwantowa powabu sumuje się do dwóch, zatem ma on dwa razy więcej powabu.

Jest to również pierwsza odkryta cząstka należąca do klasy tetrakwarków z dwoma ciężkimi i dwoma lekkimi antykwarkami. Takie cząstki rozpadają się, przekształcając się w parę mezonów, każdy utworzony przez jeden z ciężkich kwarków i jeden z lekkich antykwarków. Według niektórych przewidywań teoretycznych masa tetrakwarków tego typu powinna być bardzo zbliżona do sumy mas dwóch mezonów. Taka bliskość masy sprawia, że rozpad jest „trudny”, co skutkuje dłuższym okresem życia cząstki. W rzeczy samej, Tcc+ jest najdłużej żyjącym egzotycznym hadronem znalezionym do tej pory.

Odkrycie toruje drogę do poszukiwania cięższych cząstek tego samego typu, z jednym lub dwoma kwarkami powabnymi zastąpionymi kwarkami dolnymi. Naukowców intryguje zwłaszcza hipotetyczna cząstka z dwoma dolnymi kwarkami: według obliczeń jej masa powinna być mniejsza, niż suma mas dowolnej pary mezonów B. To sprawiłoby, że rozpad byłby wyjątkowo mało prawdopodobny: cząstka nie byłaby zdolna do rozpadu poprzez oddziaływanie silne i musiałaby to zrobić poprzez oddziaływanie słabe, co wydłużyłoby jej czas życia o kilka rzędów wielkości w porównaniu z jakimkolwiek wcześniej zaobserwowanym egzotycznym hadronem.

Nowa cząstka jest o tyle interesująca dla badaczy, że jej rozpad jest stosunkowo łatwy do wykrycia i badania. Można będzie na przykład badać liczby kwantowe tego hadronu, uzyskując precyzyjny test do badań istniejących modeli teoretycznych. Możliwe, że uda się badać wcześniej nieosiągalne efekty. (PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ zan/