Vzestup, pád a znovuzrození pentakvarků

Ve středu 15. července prolétla většinou médií zpráva, že v CERN byla objevena nová částice – pentakvark. Evidence, že existují částice složené z bezbarvých kombinací více než tří kvarků, je důležitá, ale nepředstavuje takový milník ve zkoumání struktury hmoty, jako byl objev Higgsova bosonu.

Ilustrace možného rozložení kvarků v pentakvarku, jak bylo objeveno v... | na serveru Lidovky.cz | aktuální zprávy Ilustrace možného rozložení kvarků v pentakvarku, jak bylo objeveno v... | foto: CERN
Ilustrace možného rozložení kvarků v pentakvarku, jak bylo objeveno v... | na serveru Lidovky.cz | aktuální zprávy

Titulky v médiích, která referovala o objevu pentakvarků, zněly od střízlivého CERN hlásí objev nové částice, přes Průlomový objev: Fyzici CERNu izolovali nové částice atomu až po bombastické Pentakvark. Vědecká bomba! CERN objevil částici, kterou hledal půl století. Jak skutečně významný je objev pentakvarku?

Dříve, než se pokusím na tuto otázku odpovědět, je třeba připomenout základní fakta o našich dnešních znalostech struktury hmoty a vysvětlit, co to pentakvarky vlastně jsou.

Vůně a barvy

Podle našich současných znalostí, shrnutých v takzvaném standardním modelu, je veškerá hmota, z níž jsme složeni my sami, naše Sluneční soustava i další hvězdy, složená z elektronů a protonů a neutronů. Protony a neutrony jsou dále složeny z ještě menších objektů, kvarků, jež do fyziky zavedli v roce 1964 Murray Gellmann a Georg Zweig pro vysvětlení vlastností tehdy známých částic.

Ilustrace možného rozložení kvarků v pentakvarku, jak bylo objeveno v experimentu LHCb. Zde varianta složení z mezonu (jeden kvark a antikvark) a baryonu (tři kvarky) se slabou vazbou.

Ilustrace možného rozložení kvarků v pentakvarku, jak bylo objeveno v experimentu LHCb. Zde varianta složení z mezonu (jeden kvark a antikvark) a baryonu (tři kvarky) se slabou vazbou.

Tehdy stačily tři druhy kvarků, dnes víme, že jich existuje celkem šest, nazýváme je „vůně“ a označujeme u, d, s, c, b, t. Kvark dané vůně existuje dále ve třech mutacích, v optické analogii nazývané „barvy“. (Tento klíčový pojem zavedl do kvarkového modelu Joičiro Nambu, monumentální postava teoretické fyziky posledního půlstoletí, který zemřel 5. července tohoto roku ve věku 94 let.)

Ke každému kvarku existuje i jeho antičástice, kterou označujeme proužkem nad symbolem, například ū

Ke každému kvarku existuje i jeho antičástice, kterou označujeme proužkem nad symbolem, například ū. Podobně jako mezi elektricky nabitými částicemi působí elektromagnetické síly, které drží pohromadě kladně nabitá atomová jádra se záporně nabitými elektrony v atomech, působí mezi barevnými kvarky síly, které je drží pohromadě v protonech, neutronech a jim příbuzných částicích, které nazýváme hadrony.

V důsledku pozoruhodné vlastnosti těchto sil, která nemá analogii ve vlastnostech elektromagnetických sil, však existují v přírodě jen takové kombinace kvarků a antikvarků, které jsou ve smyslu optické analogie „bezbarvé“.

Protože barvy jsou tři, jsou potřeba nejméně tři kvarky, aby mohla vzniknout jejich bezbarvá kombinace. Tak například proton je složen ze dvou kvarků u a jednoho kvarku d, z nichž každý nese jinou barvu a neutron obráceně. Existují i bezbarvé kombinace páru kvark a jeho antikvark, které odpovídají částicím, které nazýváme mezony. Tak například kladně nabitý kaon K+ je kombinací kvarku u a antikvarku . Podobně je mezon J/Ψ kombinací kvarku c a antikvarku c.

Kvarkové složení protonu (vlevo nahoře), neutronu (vpravo nahoře a mezonů K+ (vlevo dole) a J/Ψ (vpravo dole). Plné barevné kroužky označují barvu kvarků, čárkované kroužky dané barvy popisují doplňkovou barvu (antibarvu) k této barvě, černé kroužky obklopují bezbarvé kombinace tří kvarků nebo páru kvark-antikvark.

Kvarkové složení protonu (vlevo nahoře), neutronu (vpravo nahoře a mezonů K+ (vlevo dole) a J/Ψ (vpravo dole). Plné barevné kroužky označují barvu kvarků, čárkované kroužky dané barvy popisují doplňkovou barvu (antibarvu) k této barvě, černé kroužky obklopují bezbarvé kombinace tří kvarků nebo páru kvark-antikvark.

Kvarky a antikvarky znázorněné na obrázku výše představují takzvané „konstituentní kvarky“, s nimiž zacházíme podobně jako s nukleony v jádrech. Tento pojem je vhodný pro popis statických vlastností hadronů a pro vysvětlení jejich rozpadových módů. Nehodí se pro popis tvrdých srážek hadronů, při nichž se snažíme kvarky z hadronů vyrážet. Skutečnost, že kvarky nemohou existovat izolovaně jako volné částice, můžeme pochopit jako důsledek jejich nekonečně velké hmotnosti.

Pokud však umístíme těsně vedle sebe bezbarvou kombinaci třech kvarků nebo páru kvark-antikvark, síly působící mezi barevnými kvarky a antikvarky způsobí, že tyto bezbarvé kombinace mají jako celek konečnou hmotnost. Můžeme to interpretovat tak, že nekonečně velká záporná vazbová energie vyruší nekonečně velké kladné hmotnosti kvarků a antikvarků a zůstane konečná hmotnost bezbarvé kombinace.

Nevysvětlený úkaz

Bezbarvé kombinace kvarků a antikvarků však lze bez problémů složit například i ze čtyř kvarků a jednoho antikvarku (odtud trochu nepřesně „pentakvark““), nebo dvou kvarků a dvou antikvarků (tetrakvark). Částice, které by měly toto složení, se hledají již 40 let, ale dosud, až na jednu výjimku, neúspěšně.

Během roku 2004 byl tento pentakvark pozorován v osmi dalších experimentech, v některých s velkou statistickou věrohodností, a byly „objeveny“ dva další pentakvarky

Ke zvláštnímu a dosud nevysvětlenému úkazu došlo v roce 2003, kdy zpočátku dvě skupiny v různých laboratořích prezentovaly svědectví o existenci pentakvarku označovaného θ+ (1540), který měl hmotnost 1540 MeV a rozpadal se na neutron a kladně nabitý kaon K+. Částici s módem rozpadu nelze popsat jako systém tří kvarků, ale je třeba vzít minimálně čtyři kvarky uudd a jeden antikvark s. Tento pentakvark byl „objeven“ při analýze srážek fotonu s neutronem v procesu ϒ + n → n + K+ + K-a krátce nato „potvrzen“ v podobném procesu ϒ + p → n + K+ + K–0. Konkrétně jako výrazný pík v rozdělení invariantní hmotnosti (viz vysvětlení v rámečku) M(nK+) dvojice K+n při hodnotě 1540 MeV.

Během roku 2004 byl tento pentakvark pozorován v osmi dalších experimentech, v některých s velkou statistickou věrohodností, a byly „objeveny“ dva další pentakvarky. Věc se zdála jasná, a věhlasní teoretikové se proto zabývali důsledky existence této částice pro kvantitativní popis sil mezi kvarky a antikvarky. Pro ně sice máme teorii, kvantovou chromodynamiku, jež je součástí standardního modelu, ale její kvantitativní důsledky pro vlastnosti systémů více než tří kvarků je velmi obtížné spočítat. Zatímco prostorové uspořádání tří kvarků je celkem jednoznačné, u pentakvarků je možností více.

Dvě z možných konfigurací kvarků v pentakvarku θ+ (1540).

Dvě z možných konfigurací kvarků v pentakvarku θ+ (1540).

Na obrázku vlevo je pentakvark θ+ (1540) popsán jako vázaný stav neutronu a kaonu K+, přičemž síly, které jsou za tuto vazbu bezbarvých částic zodpovědné, jsou zbytkové síly sil mezi barevnými kvarky, podobně jako síly mezi elektricky neutrálními atomy v molekulách jsou důsledkem elektromagnetických sil mezi jádry a elektrony.

Již koncem roku 2004 se objevily pochyby, zda různé experimenty vidí stejnou částici, některé ji neviděly vůbec a během dalšího roku a půl pentakvarky beze stopy zmizely

Zásadně jiné vnitřní uspořádání θ+ (1540) na obrázku vpravo odpovídá vázanému stav dvou barevných objektů: dikvarku (u, d) a trojice (u, d, s), které na sebe působí barevnými silami podobně jako kvark a antikvark v mezonech. Z měření podrobných vlastností pentakvarku θ+ (1540) by bylo možné získat informaci, která z těchto dvou (a dalších) možností je bližší realitě.

K tomu ovšem již nedošlo, neboť jak raketový byl nástup pentakvarků, tak byl raketový i jejich pád. Již koncem roku 2004 se objevily pochyby, zda různé experimenty vidí stejnou částici, některé ji neviděly vůbec a během dalšího roku a půl pentakvarky beze stopy zmizely v záplavě nových a přesnějších dat, a to i těch experimentů, které pentakvark θ+ (1540) původně „objevily“. Jak je možné, že tolik experimentů vidělo přelud, zůstává nejasné, ale bylo a je mementem pro další hledání pentakvarků.

Případ tetrakvark

V případě tetrakvarků, tedy mezonů, které jsou složeny ze dvou kvarků a dvou antikvarků, je situace nejasná již delší dobu. Nejvhodnějším procesem pro hledání tetrakvarků jsou srážky elektronů s pozitrony. Při zkoumání částic vznikajících v těchto srážkách bylo objeveno velké množství mezonů, z nichž několik má vlastnosti, které odpovídají tetrakvarkům, ale jen u jednoho z nich, označovaného Z(4430)-, jenž byl objeven v roce 2008 na urychlovači KEK v Japonsku, je interpretace jako tetrakvark dūcc přesvědčivá. Tento tetrakvark byl pozorován v roce 2014 také v experimentu LHCb, který zkoumá výsledky srážek protonů s protony na urychlovači LHC v CERN.

Před několika dny, 14. července 2015, tento experiment oznámil objev dvou částic, jejichž vlastnosti odpovídají pentakvarkům, které se rozpadají na proton a mezon J/Ψ. Částice s pracovním názvem P+c byla pozorována v rozdělení invariantní hmotnosti páru proton–J/Ψ. Pro kvantitativní popis tohoto rozdělení jsou potřeba dokonce dvě nové částice, jedna s hmotností 4380 MeV a druhá s hmotností 4450 MeV.

Nejjednodušší konfigurace kvarků v pentakvarku P+c .

Nejjednodušší konfigurace kvarků v pentakvarku P+c .

Píky v rozdělení statistických veličin mohou ovšem vznikat i v důsledku statistických fluktuací. Pravděpodobnost, že by takové fluktuace mohly způsobit pík v rozdělení invariantní hmotnosti páru proton–J/Ψ, který byl pozorován, je podle autorů článku zanedbatelně malá. Nejjednodušší interpretace těchto částic v rámci kvarkového modelu je pentakvark se složením udscc. Jeho vnitřní struktura může být různá, nejjednodušší možnosti jsou na obrázku výše a odpovídají podobně jako u pentakvarku θ+ (1540) buď slabě vázané „molekule“ pJ/Ψ (levá část obrázku), nebo silně vázanému stavu dikvark-trikvark (pravá část obrázku).

Evidence, že existují částice složené z bezbarvých kombinací více než tří kvarků, je důležitá, ale nepředstavuje takový milník ve zkoumání struktury hmoty, jakým byl například objev Higgsova bosonu

„Molekulárních“ konfigurací může být ovšem více, neboť kvark c a jeho antikvark cnemusejí být součástí jedné částice. O tom, která z těchto a dalších možností je nejblíže realitě, podá svědectví podrobnější měření vlastností tohoto pentakvarku. Velmi důležité bude i hledání dalších podobných částic, které nelze vysvětlit jako systémy tří kvarků. S ohledem na zkušenosti s pentakvarkem θ+ (1540) je v tomto okamžiku ovšem nejdůležitější nezávislé potvrzení existence dvou částic pozorovaných experimentem LHCb.

A nyní zpět k otázce položené v úvodním odstavci. Evidence, že existují částice složené z bezbarvých kombinací více než tří kvarků, je důležitá, ale nepředstavuje takový milník ve zkoumání struktury hmoty, jakým byl například objev Higgsova bosonu, který znamenal dokončení celé jedné etapy budování teorie mikrosvěta, již zmíněného standardního modelu .

Existence pentakvarků je v souladu se základními principy, na nichž je tato teorie založena, a nepředstavuje nový typ základních částic, jako jsou například takzvané supersymetrické částice, které předpovídají některá rozšíření dnešního standardního modelu a které se hledají již více než 40 let. Nicméně existence částic objevených experimentem LHCb nám poskytuje nové a důležité informace o vlastnostech sil mezi barevnými kvarky a jistě přispěje k jejich lepšímu pochopení.

Jak se hledají nové částice

Metoda, jak hledat nové částice, které se rozpadají tak rychle, že po sobě nezanechají žádnou měřitelnou stopu, je v zásadě jednoduchá a používá se již více než půl století: hledanou částici identifikujeme z jejích rozpadových produktů na základě zákonů zachování energie a hybnosti.

Kvantitativně se metoda opírá se o pojem invariantní hmotnost dvojice (nebo i více) částic, což je veličina, kterou snadno spočteme, známe-li energie a úhly výletu uvažovaných částic.

Její význam spočívá v tom, že pokud tyto částice pocházejí z rozpadu jiné částice, objeví se v rozdělení invariantní hmotnosti více či méně ostrý pík, jehož poloha udává hmotnost rozpadající se částice a šířka je nepřímo úměrná její době života.

Tímto způsobem byl objeven v roce 2012 i Higgsův boson, a to především z jeho rozpadu na dva fotony – viz můj dřívější příspěvek na ČESKÉ POZICI.

Počet příspěvků: 1, poslední 28.7.2015 02:09 Zobrazuji posledních 1 příspěvků.