Fizycy znaleźli najsilniejszy dowód na istnienie kuli gluonowej — cząstki z czystej siły

Pełny tekst

Zespół pracujący na akceleratorze cząstek BES III w Pekinie ogłosił znalezienie najsilniejszego jak dotąd dowodu na istnienie kuli gluonowej , czyli stanu materii przewidzianego jeszcze w latach 70. XX wieku . Tajemnicza cząstka, oznaczana symbolem X(2370) to obiekt, którego masa pochodzi z energii wiązania gluonów, a nie z obecności kwarków. To wielkie osiągnięcie teoretyczne i eksperymentalne, które przesuwa granice naszej wiedzy o fundamentach fizyki.

Siła, która staje się materią. Czym jest kula gluonowa?

Aby zrozumieć naturę nowej cząstki, musimy przyjrzeć się naszej wiedzy o budowie materii. Cząsteczki zbudowane są z atomów , atomy z elektronów i jąder , a jądra z protonów i neutronów . Te ostatnie składają się z trio kwarków , które są utrzymywane razem przez „kwantowy klej” – gluony . Gluony to nie posiadające masy nośniki oddziaływań silnych , które wiążą kwarki ze sobą. W odróżnieniu jednak od fotonów , które przenoszą oddziaływania elektromagnetyczne, ale same nie posiadają ładunku elektrycznego i nie wchodzą ze sobą w bezpośrednie reakcje, gluony posiadają tzw. ładunek kolorowy .

Oznacza to, że gluony potrafią przyciągać się nawzajem z ogromną siłą, co teoretycznie pozwala im tworzyć stabilne (choć krótkotrwałe) skupiska bez udziału żadnych kwarków. Taka kula gluonowa (ang. glueball) w teorii jest cząstką zbudowaną w całości z energii pola sił . Choć fizycy teoretyczni podejrzewali jej istnienie od bardzo dawna, poszukiwania były niezwykle trudne. „Glueballe” mogą mieszać się ze zwykłymi cząstkami kwarkowymi, tworząc hybrydy trudne do odróżnienia w zgiełku kolizji zachodzących w akceleratorach cząstek .

Pięćdziesiąt lat łowów zwieńczone w chińskim akceleratorze

Przełom nastąpił w Instytucie Fizyki Wysokich Energii (IHEP) w Pekinie, gdzie wykorzystano akcelerator BEPCII do zderzania elektronów z ich odpowiednikami w świecie antymaterii – pozytonami. W wyniku tych wysokoenergetycznych kolizji powstaje ogromna liczba mezonów J/ψ (J/psi) , które niemal natychmiast ulegają rozpadowi. Fizycy od dawna uważali, że produkty rozpadu J/ψ to najlepsze miejsce do poszukiwań kul gluonowych, ponieważ proces ten jest niezwykle bogaty w gluony.

Zespół 700 badaczy z 15 krajów , przeanalizował rekordową liczbę ponad 10 miliardów rozpadów mezonów J/ψ, zebranych w ciągu ostatnich lat. Skrupulatna analiza tych subatomowych zdarzeń, pozwoliła zauważyć sygnały cząstki X(2370), która po raz pierwszy została dostrzeżona w 2011 roku. Dopiero teraz jednak udało się z tak dużą precyzją zmierzyć jej właściwości, by z wysokim prawdopodobieństwem stwierdzić : tak to poszukiwana od 50 lat kula gluonowa!

Dowody, obok których nie da się przejść obojętnie

Przełomowe znalezisko zaprezentowano na Międzynarodowej Konferencji Fizyki Wysokich Energii (ICHEP) w Brazylii . Preprint artykułu naukowego na temat odkrycie pojawił się też w serwisie arXiv .

Przedstawiono dowody, że X(2370) posiada masę oraz spin i parzystość zgodne z przewidywaniami chromodynamiki kwantowej. Wykazuje też brak preferencji wobec sześciu rodzajów (tzw. zapachów) kwarków, wiążąc się z nimi z jednakową siłą. To zgodne z teoretycznymi przewidywaniami. Ponieważ gluony oddziałują jednakowo ze wszystkimi zapachami kwarków, to właśnie ta cecha jest uznawana za znak rozpoznawczy kuli gluonowej .

Według szacunków zespołu badawczego, X(2370) w około 90 procentach składa się z gluonów . Choć fizycy zaznaczają, że w świecie kwantowym żadna cząstka nie jest „czysta” w 100 procentach, taki wynik jest już uznawany za dowód na istnienie tego egzotycznego stanu materii.

Rewolucja w rozumieniu Wszechświata

Odkrycie to jest określane przez ekspertów jako „eksperymentalny triumf” . Shan Jin, jeden z liderów zespołu z Uniwersytetu w Nankinie, podkreśla, że wynik ten nie tylko pozwala chromodynamice kwantowej przejść jeden z najbardziej rygorystycznych testów, ale także otwiera zupełnie nową drogę do badania sił wiążących materię .

To osiągnięcie ma fundamentalne znaczenie, ponieważ kula gluonowa jest jedynym znanym rodzajem cząstki w naturze, złożonym wyłącznie z nośników oddziaływań . To obiekt tak osobliwy, że trudny do wyobrażenia w makroskopowym świecie.

Mimo entuzjazmu jaki opanował świat fizyki teoretycznej, odkrycie czeka na niezależną weryfikację wyników w innych laboratoriach. Może to być jednak trudne i czasochłonne, ponieważ pekiński akcelerator jest w tej chwili jedynym urządzeniem na świecie, dedykowanym do precyzyjnych poszukiwań w tym zakresie energii .

Jednak dla wielu badaczy, którzy spędzili nierzadko całe swoje kariery polując na kule gluonowe, to moment historyczny . Po prezentacji wyników w Brazylii, Shan Jin był nawet proszony o autografy, co – jak zauważył w rozmowie z „Science” – zdarza się raczej gwiazdom filmowym niż fizykom cząstek elementarnych.

Źródła: Science , arXiv

Szukasz więcej inspirujących podróży, fascynujących odkryć i opowieści ze świata nauki? Skorzystaj ze specjalnej oferty prenumeraty magazynów National Geographic Polska i National Geographic Traveler .

Nasza autorka

Magdalena Rudzka

Redaktorka i wydawczyni National-Geographic.pl. Wcześniej związana m.in. z National Geographic Traveler i magazynem pokładowym PLL LOT Kaleidoscope. Z wykształcenia humanistka (MISH i SNS PAN), ale to przyroda stanowi jej największą pasję. Szczególnie bliskie są jej ekosystemy słodkowodne, a prawdziwym „konikiem” są ryby. W National-Geographic.pl pisze o swoich przyrodniczych pasjach, nauce i medycynie. Prywatnie ceni sobie podróże po nieoczywistych kierunkach, ze szczególnym sentymentem do Europy Środkowej i Wschodniej.