Pentakwark, czyli „zbuduj swój hadron”

Naukowcy z Wielkiego Zderzacza Hadronów w CERN – który od kilku miesięcy pracuje na najwyższych obrotach po dwuletniej przerwie – donieśli wczoraj o odkryciu zupełnie nowego typu cząstki – pentakwarka.

Choć odkrywanie nowych cząstek to niemal chleb powszedni dla pracowników Zderzacza, tym razem złowiony został okaz naprawdę niezwykły. Aby zrozumieć, na czym polega jego szczególna pozycja w „cząsteczkowym zoo”, wystarczy wziąć do ręki kartkę i długopis, i zabawić się przez chwilę w prostą zabawę w „zbuduj swój własny hadron”. Do dzieła!

Zasady są proste.

Mamy do dyspozycji sześć podstawowych cegiełek – kwarków. Oznaczmy je literami u, c, t, d, s, b. Kwarkom u, c, t przypisujemy liczbę ⅔. Kwarkom d, s, b przypisujemy liczbę -⅓. Poprzez narysowanie nad nazwą danego kwarka poziomej kreski tworzymy antykwark, który otrzymuje liczbę odwrotną do wyjściowej. Antykwarki u, c, t mają więc wartość -⅔, a antykwarki d, s, b wartość ⅓.

Zabawa polega na zbudowaniu hadronu, czyli cząstki składającej się z dowolnej liczby kwarków, która będzie miała sumaryczną wartość (możemy ją chyba w tym momencie zidentyfikować jako swojski ładunek elektryczny) równą liczbie całkowitej, a więc -1, 0, 1, 2 i tak dalej, ale w żadnym wypadku -⅔ albo 1⅓ .

Najprzyjemniej jest oczywiście dojść do tego faktu samemu (co powinno zająć nie więcej niż minutę gryzmolenia na marginesie gazety), ale najprostszą możliwością jest zbudowanie hadronu składającego się z dwóch kwarków należących do tej samej „grupy cenowej”, z których jeden nadkreślamy, tworząc antykwark. Przykładowo, po połączeniu jednego kwarka c (który dostarcza ładunku ⅔) z jednym antykwarkiem u (który oznaczymy teraz ū, a który dostarcza ładunku -⅔) otrzymujemy cząstkę o sumarycznym ładunku zerowym – którą określa się, nawiasem mówiąc, jako neutralny mezon D. Wszystkie cząstki składające się z dwóch kwarków to mezony, a odkrycie innych konfiguracji pozostawiam wnikliwości Czytelników.

Nieco bardziej złożoną ewentualnością jest „sklejenie” ze sobą trzech kwarków, z których dwa należą do „grupy cenowej” ⅔, a jeden do grupy -⅓, co powinno dać w sumie ładunek (uwaga, matematyka!) ⅔+⅔-⅓ = 1, czyli pojedynczy ładunek dodatni. Zupełnie przypadkowy wybór kwarków u, u, d daje w rezultacie hadron uud, znany też jako proton. Wszystkie cząstki składające się z trzech kwarków to bariony, a moc dostępnych konfiguracji pozostawiam jeszcze bardziej wnikliwym Czytelnikom.

No i teraz puenta. Wszystkie znane dotychczas hadrony należały do jednej z dwóch wyżej wymienionych grup, a więc składających się z dwóch (mezony) lub trzech (hadrony) kwarków. A przecież nie trzeba Einsteina, żeby nagryzmolić na marginesie gazety konfigurację składającą się z czterech czy pięciu kwarków! Cóż, okazuje się, że choć istnienie tetrakwarków, pentakwarków i innych konstrukcji mających sens „na papierze” przewidziano relatywnie szybko po odkryciu przez Murraya Gell-Manna w 1964 roku reguł „gry w kwarki”, żadnego takiego tworu nie zaobserwowano w Przyrodzie. Do wczoraj.

Opublikowany wczoraj „preprint” (czyli upubliczniony nieoficjalnie tekst artykułu, który – jeżeli wszystko pójdzie dobrze – ukaże się w recenzowanym czasopiśmie naukowym) głosi, że w trzewiach Wielkiego Zderzacza Hadronów zaobserwowano pentakwark uudcc¯. Jak to zwykle z tego typu ogłoszeniami bywa, niezbędne jest oczywiście ziarenko nieufności. W przypadku odkryć tej skali kwestia tego, do kogo należy palma pierwszeństwa, może wiele lat później zadecydować o Noblu – jest więc tajemnicą poliszynela, że w światku fizyki teoretycznej występuje niejaka tendencja, aby ogłaszać odkrycia potwierdzone, powiedzmy sobie… „na 99 procent”. Było tak z neutrinami szybszymi od światła w 2011 roku (które okazały się sygnałem po niedociśniętej wtyczce w okablowaniu detektora), w zeszłym roku zaś rzekomym potwierdzeniem istnienia inflacji kosmologicznej (tutaj za sygnał odpowiedzialny był pył galaktyczny – o czym napiszemy w jednym z najbliższych numerów „Tygodnika”).

Tym z Państwa, którzy zdążyli już pobawić się chwilę w „zbuduj swój hadron”, a którzy przewidzieli na tej drodze istnienie ośmiokwarków, radzimy więc szybko zagwarantować sobie pierwszeństwo, wysyłając kopię poczynionych na marginesie bieżącego numeru „TP” notatek (oryginał do sejfu) na adres mailowy CERN.

ŁUKASZ ŁAMŻA