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.

Hiukkastutkijat löysivät kokonaisen uuden hiukkasperheen

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).

Standardimallin sisältämät alkeishiukkaset: kahdessa ylärivissä
on esitetty kvarkit, niiden alla neutriinot ja alimmaisena leptonit
joihin myös elektroni kuuluu.

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.

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.

Protonin kvarkkirakenne.
Kuva Arpad Horvath/Wikimedia Commons.

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.

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.