maanantai 4. heinäkuuta 2016

Hiukkastutkijat löysivät kokonaisen uuden hiukkasperheen

Standardimallin sisältämät alkeishiukkaset: kahdessa ylärivissä
on esitetty kvarkit, niiden alla neutriinot ja alimmaisena leptonit
joihin myös elektroni kuuluu.
Hiukkasfysiikan tutkijat ovat innoissaan! He ovat löytäneet kokonaisen uuden hiukkasperheen, joka ei sisälly ns. standardimalliin. Uusi hiukkasperheen hiukkaset koostuvat neljästä kvarkista (tetrakvarkki) ja näiden lisäksi on havaittu hiukkanen, joka koostuu viidestä kvarkista (pentakvarkki).

Kvarkit ovat ydinhiukkasia (esimerkiksi protonit ja neutronit) muodostavia alkeishiukkasia. Niitä on kaikkiaan kuusi erilaista: ylös (up), alas (dawn), ylä (top), ala (bottom), outo (strange) ja lumo (charm). Yleisesti kuitenkin käytetään teksteissä muotoja (samassa järjestyksessä) u-, d-, t-, b-, s- ja c-kvarkit.

Protonin kvarkkirakenne.
Kuva Arpad Horvath/Wikimedia Commons.
Kvarkit ovat sähkövarautuneita hiukkasia. Kvarkeilla u, c ja t on +2/3e varaus (e merkitsee elektronin sähkövarausta) ja kvarkeilla d, s ja b on varaus -1/3e. Näin ollen esimerkiksi protonin +1e varaus syntyy kvarkkien varausten yhteenlaskuna

2/3e+2/3e-1/3e =3/3e=1e

ja vastaavasti neutronin 0e varaus

-1/3e-1/3e+2/3e=0e.

Jotta kvarkit voisivat muodostaa yhdessä massiivisempia (ydin)hiukkasia, niiden välillä täytyy vaikuttaa sitovia voimia. Voimia tunnetaan kaksi: vahva (väri)voima liimahiukkanen eli gluoni (värivoiman välittäjähiukkanen). Sana väri ei tässä yhteydessä merkitse värillisyyttä, vaan kvarkkien värivarausta. Kvarkeilla on sähkövarauksen lisäksi toinenkin varaus, jota siis kutsutaan värivaraukseksi tai lyhyemmin väriksi. Värejä on kolme: punainen, sininen ja vihreä, ja jokaisella kvarkilla ja gluonilla on aina jokin näistä värivarauksesta.

Kaikilla kvarkeilla on myös omat antihiukkasensa, joilla on vastaavat mutta vastakkaismerkkiset sähkö- ja värivaraukset. Eri värivaraukset vetävät toisiaan puoleensa samoin kuin eri sähkövaraukset. Saman värivarauksen omaavat kvarkit hylkivät toisiaan.  

Tuntemamme ainehiukkaset muodostuvat kahdesta tai kolmesta kvarkista, esimerkiksi protoni koostuu kahdesta u- (joilla on eri värivaraus) ja yhdestä d-kvarkista (eri värivaraus). Antihiukkaset puolestaan koostuvat anti-kvarkeista.

Edellä esitetystä huomaamme, että jo standardimalli muodostaa hyvin mielenkiintoisen hiukkasjärjestelmän. Tetra- ja penta-kvarkit ovat siis standardimallin ulkopuolinen hiukkasjärjestelmä, josta ensimmäiset viitteet on saatu vasta parin viime vuoden aikana.
Vuonna 2014 saatiin ensimmäiset viitteet tetrakvarkista CERNin hadronitörmäyttimellä (Large Hadron Collider) hiukkasilmaisimella LHCb tehdyissä kokeissa. Vuonna 2015 sitten saatiin ensimmäiset viitteet pentakvarkista.

Atlantin länsirannalla Fermilabissa (lähellä Chicagoa) havaittiin viitteitä tetrakvarkista tämän vuoden alussa. Havaintoon suhtauduttiin kuitenkin hieman skeptisesti kunnes Syracusen yliopiston tutkimusryhmä LHCb kokeen mittausten perusteella ilmoitti löytäneensä neljä erilaista tetrakvarkkia, jotka muodostivat saman perheen. Toistaiseksi uudet hiukkaset on nimetty vain luettelotunnuksin: X(4140), X(4274), X(4500) ja X(4700) niiden suhteellisen massan perusteella. Hiukkaset koostuvat kahdesta c- ja kahdesta s-kvarkista.

Havainnot ovat todella merkittäviä (Nobel?) ja hiukkasfyysikot joutuvatkin nyt luomaan uuden tai täydentämään standardimallia nyt havaittujen hiukkasten ymmärtämiseksi. Penta- ja tetrakvarkkien lisäksi LHC:lla tehdyt tutkimukset ovat antaneet viitteitä supersymmetristen hiukkasten olemassa olosta, joten uusi teoria tarvitaan mitä kipeimmin.