Pentakvarkki löytynyt?

Piiros © Kari. A. Kuure.

Professori Sheldon Stone’n (Physics in Syracuse University's College of Arts and Sciences, UK) johtama tutkimusryhmä on ehkä löytänyt pentakvarkit CERNissä tehdyssä tutkimuksessa. Löytö ei vielä ole aivan varma, mutta tutkimustulokset näyttävät olevan niin todistusvoimaisia, että käytännössä pentakvarkkien löytyminen on tosi.

Vuonna 1964 tutkijat[1] ehdottivat, että protonit ja neutronit (yhteiseltä nimeltään baryonit) muodostuvat alkeishiukkasista joita kutsutaan kvarkeiksi. Tavallisimmin baryonit muodostuvat kolmesta erilaisesta kvarkista[2] mutta on täysin mahdollista, että baryoni voi muodostua myös neljästä kvarkista. Näin pitäisi olla pentakvarkin kohdalla.

Pentakvarkkia ei hiukkaskokeissa ole havaittu ennen vuotta 2004. Silloin joukko tutkijoita oli päätynyt tulokseen, jonka mukaan he olivat todenneet pentakvarkin hajoamistuotteita. Tulos ei kuitenkaan kestänyt lähempää tarkastelua ja sitä pidetään yleisesti vääränä. Pentakvarkin hajoamistuotteita näyttää tässä kokeessa löytyneen mutta ei riittävästi.

Stone’n johtama tutkimusryhmä työskentelee CERNissä suureen hadronitörmäyttimeen (LHC) asennetulla LHCb-ilmaisimella. Samaisessa LHC-törmäyttimessä on asennettu Higgsin bosonin löytöön johtaneet ATLAS ja CMS- ilmaisimet.

LHCb-ilmaisimella havaitaan suhteellisen hitaasti tapahtuvia törmäyksiä, jotka johtuvat b-kvarkin sisältämien hiukkasten ominaisuuksista. Hidas jakautuminen mahdollistaa neljän luonnon perusvoiman välittäjähiukasten osallistuvan tapahtumaan.  Tällöin on myös mahdollista havaita toistaiseksi tuntemattomien voimien vaikutukset ja mahdollisesti johtaa pentakvarkin löytymiseen.

Vuonna 1974 löytyi mesoni[3], joka sai nimekseen kummallisen kaksoisnimen J/y ja se koostuu c-kvarkista ja sen antihiukkasesta (anti-c-kvarkista). C-kvarkit ovat paljon massiivisempia kuin esimerkiksi protonin muodostamat kevyet u- ja d-kvarkit. Stone’n tutkimusryhmä keskittyi J/y-mesonin ja parin muun hiukkasen hajoamisessa syntyvän b-mesonin havaitsemiseen.

Törmäyttimissä hiukkasten hajoaminen on ”likaista”, sillä hajoamistuotteita (kevyempiä hiukkasia) on runsaasti. Etsittyjä hajoamistuotteita on vaikea erottaa suuresta määrästä dataa ja sivutuotteena tulevien hiukkasten suuri määrä voi jopa peittää tai kätkeä tärkeää dataa. Näin kävi tässäkin tapauksessa: Lb-baryoni sisältää b-, u- ja d-kvarkit (protoni 2 u- ja d-kvarkit) ja se hajoaa J/y-mesoniksi ja protoniksi (p) sekä negatiivisesti varautuneeksi kaoniksi (K^-)[4]. Ongelma vain on siinä, että kyseistä hajoamista ei ole milloinkaan aikaisemmin havaittu.

Tutkimusryhmässä tohtorinväitöskirjaa valmistelevaa opiskelijaa pyydettiin tutkimaa, josko kyseinen jakautuminen olisi kätkeytynyt taustamateriaaliin? Ja olihan se, hän oli löytänyt erittäin voimakkaan signaalin! Datasta paljastui myös todella yllättävä asia: suurin osa hajoamisista oli sitä mitä tutkijat olivat osanneet odottaakin, mutta noin 10 % hajoamisista näytti aiheutuneen J/y-mesonin hajoamisesta. Jos tämä tulos on oikea, se merkitsee että pentakvarkin hajoaminen on havaittu.

Tutkimusryhmä päätti tehdä aikaisempaa tarkemman analyysin kerätylle datalle. Tulos oli hämmästyttävä: osoittautui, että pentakvarkkitiloja olikin kaksi, joilla oli erilaiset massat ja ominaisuudet. Ne edustavat kahta aineen tilaa, jollaisia ei aikaisemmin ole havaittu.

Tutkimusryhmän johtaja Sheldon Stone korostaa, että työ ei vielä ole päätöksessä, vaan on vielä valtavasti asioita, joita täytyy tehdä. Työ vaatii vielä runsaasti myös uusia QCD-teorioita.

Huomautukset

[1] tutkijat Murray Gell-Mann ja George Zweig.

[2] kvarkkeja on kuusi ja niiden anti-kvarkit: u (up, ylös), d (dawn, alas), c (charm, lumo), s (starnage, outo), t (top, huippu) ja b (bottom, pohja). Näistä t-kvarkki löydettiin viimeisenä vuonna 1994.

[3] mesoni on yhdistelmähiukkanen, jonka muodostavat kvarkki ja antikvarkki. Kaikki mesonit ovat epästabiileja ja hajoavat spontaanisti kevyemmiksi hiukkasiksi.

[4] kaonit ovat mesoneihin kuuluvia hiukkasia, joita on kaksi sähkövarattua ja kaksi neutraalia hiukkasta: K⁺, K^-, K⁰ ja anti-K⁰. Kaikkien kaoninen massat ovat hieman alle 500 MeV.