Lisää viitteitä tetrakvarkista

LHCb-tutkimusryhmä on löytänyt lisää viitteitä tetrakvarkista. Tällä kertaa havainnot oli tehty CERNin tutkimuslaboratoriossa ja niistä raportoitiin CERNissä pidetyssä seminaarissa ja raportti julkaistiin ArXiv-verkkojulkaisussa^[1].

Olisiko uusi tuntematon hiukkanen yksi neljän c-kvarkin muodostama,vai jotain muuta?

Tutkimusryhmä käsitteli uudelleen vuosina 2009–2013 ja 2015–2018 saatua mittausdataa, selvittääkseen mikä aiheuttaa pienen kohouman, joka aikaisemmin oli jätetty tarkempaa analyysiä vaille. Osoittautui, että syy voisi olla neljästä kvarkista koostuva hiukkanen, tetrakvarkki.

Hiukkasen X(6900) massan ja energian perusteella tutkijat ovat päätyneet tulokseen, että se voisi olla kaikkein todennäköisimmin neljästä c-kvarkista muodostunut^[2] hiukkanen. Tosin hiukkasen rakenteesta ei vielä ole tietoa. Sen rakenne voi olla yhden hiukkasen sijaan myös kahdesta charmonium-hiukkasen^[3] yhteenliittymästä tai jostakin muusta, toistaiseksi tuntemattomasta tai vähemmälle huomiolle jääneestä yhdistymisestä.  

Huomautukset

[1] Tutkimuksen pdf-versio löytyy osoitteesta https://arxiv.org/abs/2006.16957

[2] Kvarkkeista ja niiden muodostamista hiukkasista on kerrottu enemmän artikkeleissa

 https://avaruusmagasiini.blogspot.com/2015/07/pentakvarkki-loytynyt.html

https://avaruusmagasiini.blogspot.com/2016/07/hiukkastutkijat-loysivat-kokonaisen.html

[3] Charnomium-hiukkanen koostuu c- ja anti-c -kvarkista.

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.

Outoja tähtiä

Kvarkki-novan räjähdys.
Kuva Kari A. Kuure

New Scientist -tiedelehden tämän viikon viikkotiedotteessa kerrotaan oudosta tähdestä, jollaista ei aikaisemmin ole havaittu. New Scientist -lehden artikkeliin johtanut tutkimus alkoi 84 miljoonan valovuoden etäisyydellä näkyneestä supernovasta (SN 2009ip). Siinä ei sinällään ole mitään kummalista, mutta asiaan liittyi aivan käsittämätön outous – sama kohde oli nähty kirkastuvan supernovana viikkoa aikaisemmin.

Saman kohteen kaksi perättäistä supernovapurkausta^[1] voisi olla outo yhteensattuma, mutta ei enää vuonna 2010, kun SN 2010mc käyttäytyi samoin. Suurin ongelma tällaisille purkauksille on, että tähden supernovapurkaus voi tapahtua vain yhden kerran. Jälleen kerran luonto näytti olevan oudompi kuin mitä tutkijat pystyivät kuvittelemaan.

Galgaryn yliopistossa työskentelevän tutkijan, tohtori Rachid Ouyed johtama tutkijaryhmä on päätynyt tulokseen, että jälkimmäinen purkaus (kvarkki-nova) on syntynyt siitä, että supernovaräjähdyksessä syntynyt neutronitähti^[2]  oli muuttunut kvarkkitähdeksi^[3]. Vapautuva energia ja purkauksen kirkkaus ovat samaa luokkaa kuin ensimmäisessä supernovassa vapautunut energiamäärä.

Mahdollinen kvarkkitähtikandidaatti olisi 1,5–1,8 auringonmassainen neutronitähti, joita kaikista neutronitähdistä olisi noin 1 %. Jos teoria olisi oikea, meidän pitäisi pystyä näkemään kahden kvarkkitähden syntyminen joka päivä. Toistaiseksi laskelmien osoittaminen oikeaksi on vaikeaa, mutta tähtitieteen historia osoittaa, että vähäinenkin outous havainnoissa voi johtaa merkittävään läpimurtoon. 

SN 2006 valokäyrä.
Kuva Wikimedia Commons.

Aikaisemmin Rachid Ouyed on ehdottanut kvarkkitähden syntymistä supernova SN 2006gy (18.9.2006) yhteydessä. Räjähdyksen voimakkuus oli 1400-kertainen SN 1987A supernovaan verrattuna. Muitakin selitysmalleja SN 2006gy:lle on esitetty. Olipa selitys mikä tahansa, SN 2006gy:n valokäyrä on muista supernovista hyvin paljon poikkeava (kts. oheinen kuva).

Jan Staff’in (Galgaryn yliopisto) mukaan voimakkaan magneettikentän omaava neutronitähti voisi päätyä romahtamaan kvarkkitähdeksi vain muutamassa tunnissa syntymisensä jälkeen. Neutronitähden ja kvarkkitähden syntymisen aikaväli on riippuvainen magneettikentän voimakkuudesta siten, että keskivoimakkaan kentän tähdillä kvarkkitähdeksi romahtaminen voisi ottaa aikaa jopa 1000 vuotta.

Tutkijoiden työ on myös osoittanut, että kvarkkitähdet olisivat mitä suurimmalla todennäköisyydellä ns. radiohiljaisia neutronitähtiä. Toinen, ehkä vielä mielenkiintoisempi tulos on, että kvarkkitähdet voisivat olla kaukaisessa universumissa havaittujen gammapurkausten aiheuttajia. Niitä on pidetty jättimäisten supernovien (hypernovien) aikaansaamina, kahden toisiaan kiertävien neutronitähtien yhteen sulautumisena tai kahden mustan aukon törmäämisenä. Kaikki nämä selitykset ovat edelleen mahdollisia, mutta kvarkkitähden syntyminen voi olla neljäs selitysmalli ilmiölle. Gammapurkausten tulevat tutkimukset voivat antaa tapahtumasta enempi tarkkoja tietoja.

Huomautukset

[1] Supernovapurkaus tapahtuu Aurinkoa noin 10-kerttaisesti massiivisten tähtien tulleessa kehityskaarensa päähän. Fuusiokelpoisen vedyn ja heliumin loppuessa massiivisen tähden ytimessä lämpötila ja paine kasvaa niin suureksi, että aina vain raskaammat alkuaineet fuusioituvat. Fuusioketjut päättyvät kun ytimeen syntyy rautaa. Raudan fuusio ei tuota enää energiaa, joten ytimen hydrostaattinen tila häiriintyy ja se luhistuu. Luhistuminen saa aikaan tähden ulko-osien räjähdyksen avaruuteen. Ydin voi tuhoutua kokonaan, siitä voi tulla neutronitähti tai musta aukko. Tähän listaan täytyy siis lisätä kvarkkitähti neutronitähden jälkeen.

[2] Neutronitähden syntyminen selittyy supernovan räjähdyksen synnyttämällä paineella, joka ”työntää” elektronit atomiytimiin. Suuri osa aineesta pirstoutuu alkeishiukkasiksi ja suuri määrä neutriinoja (lähes massattomia neutraaleja alkeishiukkasia) vapautuu. Jäljelle jäänyt aine on muuttunut neutroneiksi elektronien miinus-sähkövarauksen neutraloidessa protonien plus-varauksen. Neutronitähdillä on voimakas magneettikenttä ja hyvin voimakkaan kentän omaavia neutronitähtiä kutsutaan magnetareiksi.

[3] Kvarkkitähdet koostuvat kvarkkiaineesta. Se syntyy gravitaation (lämpötila ja paine) pakottaessa neutronitähtien neutronit niin lähelle toisiaan (1 fm), että syntyy kvarkki-plasmaa tai Fermin nestettä, jossa kvarkit pääsevät vapaasti vaeltamaan. Normaalioloissa hadronien sisällä olevat kvarkkien liikkumisvapaus on rajoittunut hiukkasen sisällä tapahtuvaksi.

AMS-02 pimeän aineen jäljillä



AMS-02-havaintolaitteisto. Kuva ESA.

Maailmankaikkeutemme salaisuudet kiehtovat ihmismieltä. Ehkä kaikkein suurin salaisuuksista on pimeä aine ja energia, joita on yritetty löytää hyvin aktiivisesti jo vuosikymmenien ajan. Nyt ihmiskunnan historiassa ensimmäistä kertaa olemme saaneet pienen vihjeen pimeästä aineesta muutoinkin kuin pelkästään gravitaation vaikutuksiin perustuvista havainnoista. Tämä vihjeen tarjoaa meille Kansainväliselle avaruusasemalle viety Alpha Magnetic Spectrometer, lyhyemmin AMS-tutkimuslaitteisto.

 

Tutkimuslaitteisto on järjestyksessä toinen avaruuteen sijoitettu ja niinpä sen nimi onkin AMS-02. Ensimmäinen laitteisto (AMS-01) vietiin MIR-asemalle vuonna 1998. Se oli toiminnassa vain kaksi viikkoa, mutta jo näinkin lyhyt aika riitti havaintoihin, jotka pakottivat tutkijat muuttamaan käsityksiään maailmakaikkeudesta.

AMS-02-laitteiston toimintaperiaate.

Kuva ESA.

AMS-02 laitteisto koostuu suprajohtavassa tilassa olevista kestomagneetista, joiden aikaansaama magneettikenttä muuttaa siihen joutuvien varattujen hiukkasten rataa. Lopulta hiukkaset ohjautuvat niitä havainnoiville tunnistussensoreille. Ne mittaavat hiukkasten massan, sähkövarauksen ja liike-energian, joiden arvojen perusteella hiukkaset ovat tunnistettavissa. Laitteisto havaitsee niin kosmisen säteilyn atomiytimet kuin kaikki sähkövarautuneet hiukkaset mukaan lukien positronit ja mahdolliset muut antimaterian sähkövarautuneet hiukkaset.

AMS-02 ei ole mikään keijukainen; massaa sillä on 6 918 kg. Laitteiston magneettikentän voimakkuus on yli 4 000-kertaisesti voimakkaampi kuin maapallon magneettikenttä; suunnilleen 1/10-osa lääketieteellisissä magneettikuvauksissa käytettävän MRI-laitteiston kenttävoimakkuudesta. AMS-02 vietiin Kansainväliselle avaruusasemalle Endearvour-sukkulalla vuonna 2011. Eurooppalainen astronautti Roberto Vittori sijoitti sen sukkulan robottikädellä avaruusasemalle rakennetulle alustalle.

AMS-02-laitteiston mittauksista on nyt saatu ensimmäisiä tuloksia. Niiden mukaan avaruudessa kiitää elektronien antihiukkasia eli positroneja kaikista mahdollisista suunnista. Tutkijat arvelevat, että positronien jatkuva vuo antaa vihjeen pimeän aineen olemassa olosta. Positronit voisivat olla peräisin neutraliinoksi nimetystä sähkövarauksettomasta hiukkasesta, jota on ehdotettu pimeän aineen hiukkaseksi. Onko näin, se jää nähtäväksi tulevaisuudessa! AMS-02 jatkaa havaintojaan tulevina vuosina.

Maailmankaikkeuden energia-

tiheyden jakaantuminen eri

osasten kesken. Kuva ESA.

Parisen viikkoa sitten julkaistiin Planck-luotaimen tekemä kartoitus kosmisesta mikroaaltotaustasäteilystä. Näiden tulosten perusteella pimeän aineen määräksi on määritetty 26,8 % kaikesta maailmankaikkeuden massa-energiatiheydestä. Meidän tuntevaa näkyvää ainetta on vain 4,9 % ja loppu 68,3 % on pimeää energiaa. Tulos on merkittävä, sillä se poikkeaa aikaisemmasta ja pimeän aineen osuus kasvoi yli neljällä prosenttiyksiköllä.

Havaitut positronit voivat olla osoitus pimeän aineen olemassa olosta. Pimeän aineen hiukkasten (neutraliinojen) törmätessään toisiinsa on niiden arveltu hajoavan lukuisiksi eri hiukkasiksi, joista sähkövaraukseltaan positiivinen positroni olisi yksi tärkeimmistä. Vastaavasti samassa prosessissa pitäisi vapautua outoja negatiivisesti varautuneita hiukkasia. Jos törmäyksissä syntyvät hiukkaset pystyttäisiin havaitsemaan ja tunnistamaan, pimeästä aineesta peräisin olevien hiukkasten keskinäiset suhteet paljastaisivat niiden alkuperän.

Pimeän aineen olemassa olo on tunnettu jo vuosikymmeniä. Ensimmäiset vihjeet sen olemassa olosta saatiin 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla, kun havaittiin tähtien nopeuksia niiden kiertäessä Linnunrataa. Tähtien nopeuksien pitäisi vähetä sen mukaisesti mitä kauempana galaksin keskustasta niiden rata on. Näin ei kuitenkaan tapahdu, vaan nopeus pysyy suunnilleen yhtä vauhdikkaana kuin lähempänäkin olevien tähtien vauhti. Ainoa selitys asialle näyttäisi olevan pimeä aine. Sitä piti olla paljon ja suurin osa siitä sijaitsisi Linnunradan ympärillä. Samanlaisia tuloksia on saatu myös muiden galaksien tähtien kiertonopeuksista.

AMS-02-laitteisto pystyy havaitsemaan myös muita antimaterian hiukkasia. Antimaterian käsite syntyi vuonna 1930 englantilaisen fyysikon Paul Diracin luomassa teoriassa. Häneen mukaansa antimateria muodostuu tavallisen aineen peilikuvahiukkasista, joiden sähkövaraus olisi kuitenkin vastakkainen. Näin ollen negatiivisesti varautuneen elektronin antihiukkanen olisi positiivisesti varautunut positroni. Positronit onnistui havaitsemaan Carl Andersson vuonna 1932. Molemmat tutkijat palkittiin Nobel-palkinnolla: Dirac vuonna 1933 ja Anderson vuonna 1936.

Erityisen mielenkiinnon kohteena on AMS-02-laitteistolla mahdollisesti havaittava anti-helium. Sitä ei muodostu avaruudessa, joten jos sitä havaitaan, niin se on ainutlaatuinen osoitus antimateriasta koostuvien galaksien olemassa olosta.

Hiukkasfyysikot toivovat, että AMS-02-laiteisto havaitsisi outokaisiksi (strangelets) kutsuttujen hiukkasten muodostamaa ainetta. Hiukkaset muodostuisivat, kuten tavallinen aine, Ylös- ja Alas-kvarkeista, mutta niissä olisi myös Outo-kvarkki. Tavallisessa aineessa kvarkkien lukumäärä on kolme (protoni ja neutroni) mutta outokaisissa niitä olisi neljä, joista siis yksi olisi Outo-kvarkki. Tällaisen hiukkasen koko olisi jo muutaman femtometrin luokkaa ja siten havaittavissa yksittäisenä hiukkasena. Pimeä aine voisi siis muodostua outokais-hiukkasista. Outokaiset olisivat kuitenkin yksittäin hyvin epävakaita ja hajoaisivat nopeasti Ylös- ja Alas-kvarkkien muodostamiksi hiukkasiksi. Tilanne kuitenkin muuttuisi jos näitä hiukkasia olisi suuri joukko. Silloin epästabiilisuus katoaisi ja pimeä aine voisi olla outokais-ainetta.

Kosminen hiukkasäteily

on lähes valonnopeudella

kiitäviä raskaita atomi-

ytimiä. Kuva ESA.

AMS-02-laitteiston pieni sivujuonne on, että sen avulla voidaan tutkia magneettien käyttäytymistä avaruuden olosuhteissa. Tällaista tietoa voidaan hyödyntää siinä vaiheessa kun miehitettyjä Mars-lentoja ryhdytään suunnittelemaan. Yksi tärkeimmistä ja vielä ratkaisemattomista kysymyksistä on, kuinka miehistö suojataan avaruuden kosmiselta säteilyltä? Eräs ratkaisumalli voisi olla voimakkaiden magneettikenttien muodostama suojakilpi, joka poikkeuttaisi reitiltään lähes valonnopeudella kiitävät raskaat atomiytimet ja sähköisesti varautuneet hiukkaset ja näin ne eivät pääsisi vahingoittamaan astronautteja.