Φυσικοί του CERN ανακάλυψαν ένα νέο εξωτικό σωματίδιο - Τι είναι το διεγερμένο μεσόνιο Bc-+

Η χρήση μεσονίων που αποτελούνται από βαριά κουάρκ προσφέρει στους ερευνητές ένα εξαιρετικό «εργαστήριο» για τη δοκιμή των σημερινών θεωριών 

Φυσικοί από τη συνεργασία ATLAS Collaboration στο CERN και τον Large Hadron Collider ανακοίνωσαν την παρατήρηση ενός νέου εξωτικού σωματιδίου, ανοίγοντας συναρπαστικές νέες προοπτικές για την κατανόηση του σύμπαντός μας.

Συγκεκριμένα, το διεγερμένο μεσόνιο Bc*+, ένα σωματίδιο που αποτελείται από ένα κουάρκ charm και ένα αντικουάρκ bottom, αποτελεί ένα θεμελιώδες ορόσημο στη μελέτη της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, της αλληλεπίδρασης που συγκρατεί τα κουάρκ μέσα στα αδρόνια, όπως τα πιο γνωστά πρωτόνια και νετρόνια. Παρά τις δεκαετίες θεωρητικών και πειραματικών μελετών, πολλές πτυχές αυτής της θεμελιώδους δύναμης παραμένουν ανεξερεύνητες.

Η χρήση μεσονίων που αποτελούνται από βαριά κουάρκ προσφέρει στους ερευνητές ένα εξαιρετικό «εργαστήριο» για τη δοκιμή των σημερινών θεωριών. Αυτό το εντυπωσιακό αποτέλεσμα πρόκειται σύντομα να δημοσιευθεί στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters, προσφέροντας νέα δεδομένα για τη βελτίωση των υπαρχόντων θεωρητικών μοντέλων.

Οι δομικοί λίθοι της ύλης

Για να κατανοήσουμε τη σημασία αυτής της ανακάλυψης, πρέπει να κάνουμε ένα βήμα πίσω και να εξετάσουμε τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια ανήκουν σε μια μεγάλη οικογένεια σωματιδίων που ονομάζονται αδρόνια.

Πρόκειται για σύνθετα σωματίδια, τα οποία σχηματίζονται από κουάρκ που συγκρατούνται ισχυρά μεταξύ τους μέσω της ισχυρής πυρηνικής δύναμης.

Τα αδρόνια χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τα βαρυόνια, που αποτελούνται από τρία κουάρκ, και τα μεσόνια, που σχηματίζονται από ένα ζεύγος κουάρκ και αντικουάρκ.

Τα μεσόνια Bc+ παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους φυσικούς, καθώς περιέχουν δύο διαφορετικούς τύπους βαριών κουάρκ. Η ανάλυση της συμπεριφοράς και της εσωτερικής τους δομής επιτρέπει την αποκάλυψη δυναμικών που είναι δύσκολο να μετρηθούν με ελαφρύτερα σωματίδια.

Μια καταγραφή στα όρια της τεχνολογίας

Οι ερευνητές του ATLAS δημιούργησαν τη διεγερμένη εκδοχή του μεσονίου κατά τη διάρκεια συγκρούσεων πρωτονίων υψηλότατης ενέργειας στον LHC.

Σύμφωνα με την ομάδα, το μεσόνιο Bc*+ διασπάται πολύ γρήγορα σε ένα μεσόνιο Bc+ και ένα φωτόνιο.

Η ανίχνευση αυτού του φωτονίου μαζί με τα προϊόντα διάσπασης του βασικού μεσονίου αποτέλεσε αδιαμφισβήτητη ένδειξη της ύπαρξης του νέου σωματιδίου.

Η βασική πρόκληση για την ομάδα ήταν ότι η αναμενόμενη μάζα του Bc*+ είναι ελάχιστα μεγαλύτερη από εκείνη του Bc+.

Ως αποτέλεσμα, το φωτόνιο που εκπέμπεται κατά τη διάσπαση έχει εξαιρετικά χαμηλή ενέργεια, καθιστώντας αδύνατη την ανίχνευσή του με συμβατικές μεθόδους αναγνώρισης.

Καινοτόμες μέθοδοι έρευνας

Αντί να βασιστούν στις συνήθεις τεχνικές, οι επιστήμονες αναζήτησαν ενδείξεις μετατροπής του φωτονίου σε ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου μέσα στον ανιχνευτή ιχνών του ATLAS.

Αυτή η διαδικασία αφήνει πίσω της ίχνη από πολύ κοντινά φορτισμένα σωματίδια, τα οποία προέρχονται από ένα κοινό σημείο μετατοπισμένο από την αρχική σύγκρουση πρωτονίων.

Αυτά τα ίχνη μπορούν να έχουν εξαιρετικά χαμηλές εγκάρσιες ορμές, ακόμη και της τάξης των 100 MeV, πολύ χαμηλότερες από εκείνες που αναλύονται συνήθως.

Η συγκεκριμένη δυναμική οδήγησε στην ανάπτυξη μιας πλήρως εξειδικευμένης διαδικασίας ανακατασκευής ιχνών, ώστε να καταστεί δυνατή η ταυτοποίηση του μεσονίου Bc*+.

Η μετρούμενη διαφορά μάζας είναι 64,5 ± 1,4 MeV, τιμή που βρίσκεται εντός των διαθέσιμων θεωρητικών προβλέψεων, αν και αποκλίνει ελαφρώς από τους πλέον σύγχρονους υπερακριβείς υπολογισμούς.