Физиците от Европейската организация за ядрени изследвания (ЦЕРН) обявиха в началото на юли, че са наблюдавали три екзотични нови типа частици, които никога не са били виждани досега. Те осветяват субатомен свят, който не разбираме напълно.
Наблюдението е направено с помощта на Големия адронен колайдер (LHC), най-големият ускорител на частици в света. Той работи, като ускорява два лъча адрони – специално протони или йони – около и в 27-километров кръг, преди да ги разбие една в друга почти със скоростта на светлината.
След това се използват изключително чувствителни детектори, за да се види какво се е случило за части от секундата след този сблъсък. Идеята е, че високоенергийните сблъсъци на частици могат временно да произведат редки, екзотични частици, които обикновено не виждаме, и тези редки частици могат да ни разкажат за някои от най-фундаменталните характеристики на нашата вселена: откъде идва масата, например и какво представляват тъмната материя и тъмната енергия.
LHC стартира за първи път на 10 септември 2008 г. Оттогава претърпя различни промени и до тази пролет беше офлайн повече от три години за поддръжка и надстройка.
Миналата седмица учените отново включиха ускорителя, изстрелвайки лъчи от частици на по-високи енергийни нива от всякога. Сблъсъците произведоха три невиждани досега частици: нов вид пентакварк, нов вид тетракварк и първата двойка тетракварки.
Кварките са малки частици, които се комбинират, за да образуват адрони – клас частици, който включва обикновените атомни градивни елементи, известни като протони и неутрони – и се предлагат в шест вида, известни като „аромати“. Тези вкусове са „нагоре“, „надолу“, „чар“, „странен връх“ и „долу“.
Самите кварки се свързват заедно чрез глуони, което им позволява да правят по-големи частици. Кварките са свързани заедно от силната ядрена сила – една от четирите основни сили на Вселената заедно със слабата ядрена сила, електромагнетизма и гравитацията.
Обикновено кварките се комбинират в групи от по две и по три. Протоните, например, са съставени от три кварки. Въпреки това, в редки случаи кварките могат да се комбинират в групи от четири или пет – съответно тетракварки и пентакварки.
Докато те са били наблюдавани и преди, най-новото откритие бележи първия път, когато са открити в определени комбинации. „Тези открития са доста значими, тъй като потвърждават съществуването на „екзотични“ състояния на пентакварк и тетракварк с различни комбинации от кварк, включително този път и странния кварк“, каза Никола Нери, старши член на експеримента LHCb, в който бяха открити частиците.
„Съставът на кварките и глуоните на адроните може да бъде много сложен поради нашата ограничена способност да изчисляваме ефектите от силни взаимодействия. Силната сила обаче е подобна за леките кварки: нагоре, надолу и странни кварки. Това е симетрия на тяхната природа, която трябва да бъде отразена в екзотичните пентакваркови и тетракваркови състояния и в техните свойства при заместване на странен кварк с възходящ или нисък кварк.
„Можем да предвидим връзките между тези състояния и да проверим чрез измерване на техните свойства като маса, присъща ширина и квантови числа, ако експерименталните резултати са в съответствие с теорията. Тези измервания ще помогнат за разбирането на природата на „екзотичните“ адрони и свързването с механизъм, образуващ такива състояния.
„Важно е да се идентифицират модели сред различни „екзотични“ адрони, за да можем да проверим теоретичните прогнози и да подобрим нашето разбиране за силни взаимодействия. По-специално, ние не знаем как да предвидим маси, ширини и квантови числа на екзотични състояния, тъй като все още не можем да направим точни изчисления, като се започне от първите принципи.“
Нери добави, че експериментите с LHC, включващи големи проби от данни и много напреднали сензори, ще помогнат при разработването на модели за прогнози.
Скорошният цикъл на LHC е един от многото, които се очаква да бъдат извършени в безпрецедентен брой през следващите четири години, станал възможен от неотдавнашната работа по надграждане и поддръжка на колайдера. Предстоящата серия от експерименти се нарича Run 3.
По-специално секцията LHCb, където бяха открити новите комбинации от кварки, е претърпяла цялостна реконструкция. Сега се очаква този участък от LHC да увеличи броя на сблъсъци с коефициент три, според CERN.
LHCb е проектиран да изследва леките разлики между материята и антиматерията чрез изучаване на специфичен тип кварк, известен като „кварк за красота“. Той използва детектор от 5600 тона и се управлява от около 1565 учени от 20 страни.
