Ανακάλυψη: “Εξωτικό” σωματίδιο στον επιταχυντή του CERN

Ανακαλύφθηκε στον μεγάλο επιταχυντή του CERN ακόμη ένα σπάνιο «εξωτικό» σωματίδιο με τέσσερα κουάρκ!

Αναλυτικά, οι φυσικοί ανακάλυψαν, με τη βοήθεια του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών (CERN), ακόμη ένα σπάνιο σωματίδιο που αποτελείται από τέσσερα κουάρκ. Πρόκειται για το 62ο σωματίδιο (αδρόνιο) που ανακαλύπτεται στον μεγάλο επιταχυντή.

Η ανακοίνωση έγινε προ ημερών από τον σωματιδιακό φυσικό Ιβάν Πολιάκοφ του Πανεπιστημίου Syracuse της Νέας Υόρκης στη διάρκεια διαδικτυακού συνεδρίου της Ευρωπαϊκής Φυσικής Εταιρείας, σύμφωνα με το «Nature». Η ανακάλυψη έγινε από τον ίδιο, σε συνεργασία με τον Βάνια Μπελιάγιεφ του Ινστιτούτου Θεωρητικής και Πειραματικής Φυσικής στη Μόσχα.

Ο μεγαλύτερος επιταχυντής του κόσμου έχει γίνει διάσημος για την ανακάλυψη του σωματιδίου (μποζονίου) του Χιγκς το 2012, όμως έχει βρει επίσης δεκάδες μη στοιχειώδη υποατομικά σωματίδια που λέγονται αδρόνια, τα οποία -όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια- αποτελούνται από κουάρκ.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (ή Μοντέλο) της σωματιδιακής Φυσικής, το οποίο περιγράφει τους θεμέλιους «λίθους» της ύλης και τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις που δρουν πάνω τους, περιλαμβάνει, μεταξύ άλλων, έξι «γεύσεις» κουάρκ, τα οποία σχηματίζουν σύνθετα σωματίδια (αδρόνια). Τα κουάρκ συγκρατούνται από την ισχυρή πυρηνική δύναμη, μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις. Τα δύο συχνότερα κουάρκ είναι το «άνω» και το «κάτω», οι συνδυασμοί των οποίων δημιουργούν τα νετρόνια (ένα «άνω» και δύο «κάτω» κουάρκ) και τα πρωτόνια (δύο «άνω» και ένα «κάτω» κουάρκ).

Τα πρωτόνια είναι τα μοναδικά αδρόνια που από μόνα τους παραμένουν σταθερά, ενώ τα νετρόνια είναι σταθερά μόνο όταν βρίσκονται μέσα σε ατομικούς πυρήνες. Όλα τα άλλα αδρόνια σχηματίζονται μόνο παροδικά, από τη σύγκρουση άλλων σωματιδίων, και διασπώνται σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Ο επιταχυντής LHC δημιουργεί νέα είδη αδρονίων προκαλώντας συγκρούσεις υψηλής ενέργειας μεταξύ πρωτονίων.

Τα περισσότερα νέα αδρόνια -όπως και το νέο που βρέθηκε- έχουν ανακαλυφθεί από τον LHCb, έναν από τους τέσσερις γιγάντιους ανιχνευτές που βρίσκονται στο κυκλικό τούνελ μήκους 27 χιλιομέτρων του μεγάλου επιταχυντή. Το νέο σωματίδιο -ένα αδρόνιο με τέσσερα κουάρκ- ονομάστηκε Tcc+. Έχει μάζα περίπου τετραπλάσια από ένα πρωτόνιο.

Τα σωματίδια με τέσσερα κουάρκ είναι πολύ ασυνήθιστα, καθώς τα περισσότερα γνωστά αδρόνια διαθέτουν δύο ή τρία κουάρκ. Το πρώτο σωματίδιο τεσσάρων κουάρκ είχε ανακαλυφθεί στην Ιαπωνία το 2003, ενώ στη συνέχεια βρέθηκαν περισσότερα στο CERN.

Το νέο σωματίδιο φαίνεται να είναι ακόμη πιο ξεχωριστό: Ενώ τα προηγούμενα αδρόνια με τέσσερα κουάρκ ήταν πιθανότατα δύο ζεύγη διπλών κουάρκ προσκολλημένα μεταξύ τους, το νέο αδρόνιο φαίνεται να αποτελείται από τέσσερα ξεχωριστά κουάρκ, κάτι που -εφόσον όντως ισχύει- θα είναι μία πρωτιά για τους επιστήμονες. Τέτοια αυθεντικά «τετρακουάρκ», σύμφωνα με τον Μπελιάγιεφ, πιθανώς υπήρχαν μόνο στη διάρκεια των πρώτων στιγμών του σύμπαντος, όταν όλη η ύλη ήταν συμπιεσμένη σε έναν υπερβολικά μικρό χώρο.

Η αναζήτηση νέων αδρονίων θα συνεχιστεί, καθώς δεκάδες διαφορετικοί συνδυασμοί κουάρκ μπορούν να «γεννήσουν» νέα αδρόνια. Εκτιμάται ότι υπάρχουν 50 πιθανά αδρόνια με δύο κουάρκ (έχουν βρεθεί όλα εκτός από ένα) και 75 με τρία κουάρκ (έχουν βρεθεί σχεδόν 50).

Τα στοιχειώδη σωματίδια διακρίνονται στα αδρόνια και στα λεπτόνια. Τα πρώτα μπορούν να μετέχουν και σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις, ενώ τα λεπτόνια όχι. Τα αδρόνια πήραν το όνομά τους από τη λέξη αδρός (δυνατός), ενώ τα λεπτόνια από τη λέξη λεπτός (αδύνατος). Τα αδρόνια χωρίζονται στα βαρυόνια που είναι φερμιόνια και στα μεσόνια που είναι μποζόνια.