Didysis hadronų priešpriešinių srautų greitintuvas (LHC) pažėrė – tiesiogine to žodžio prasme – šūsnį naujų dalelių. Net penkios naujos dalelės aptiktos viename iš eksperimento detektorių – LHCb. Šis atradimas padės suprasti, kaip elementariosios dalelės, kvarkai, jungiasi į didesnius junginius, tarp jų – ir protonus bei neutronus.
XX a. viduryje viena po kitos buvo atrandamos vis naujos dalelės. Prie seniau atrastų įprastų protono, neutrono ir elektrono prisijungė dešimtys kitų. Netrukus mokslininkai suprato, kad jos visos negali būti smulkiausi nedalomi pagrindai, iš kurių susideda visa materija. Kaip XIX–XX amžių sandūroje atomai buvo išskaidyti į elektronus ir branduolį sudarančius protonus bei neutronus, taip septintajame dešimtmetyje protonai, neutronai ir panašios dalelės buvo sudalintos į kvarkus. Vienas iš pagrindinių eksperimentinių rezultatų, patvirtinusių kvarkų teoriją, buvo [math]\Omega^-[/math] bariono – trijų kvarkų junginio – atradimas. Jo savybes prognozavo kvarkų modelis, vadinamas Gell-Mann modeliu.
LHC, kaip ir kituose dalelių greitintuvuose, atradimai daromi, sudaužiant dalelių srautus tarpusavyje, ir fiksuojant, kas iš susidūrimo vietos išlekia. Sudaužtos didelę energiją turinčios dalelės – LHC tai dažniausiai yra protonai – gali susijungti ar subyrėti ir suformuoti kitokius junginius, ar net vienos elementariosios dalelės virsti kitomis. Visi šie pokyčiai atsispindi detektoriuose, kurie fiksuoja išlekiančių dalelių trajektorijas ir energijas. Ir štai dabar, energijų ruože, maždaug tris kartus viršijančiame protono ir neutrono rimties masės energijas, aptiktos net penkios naujos dalelės (žr. diagramą žemiau).
Šioje diagramoje matome dviejų dalelių – [math]\Xi_c^+[/math] barionų ir [math]K^-[/math] (kaonų) – porų bendras energijas. Būtent šios dalelės, užfiksuotos LHCb detektoriuje, ir leido nustatyti penkių naujų dalelių egzistavimą. Naujai aptiktos dalelės gyvuoja labai trumpai – taip trumpai, kad detektoriuje pėdsako nepalieka. Tačiau jos visos skyla į [math]\Xi_c^+[/math] ir [math]K^-[/math] poras. Kaonų trajektorijas išmatuoti jau įmanoma, nors šie keistojo ir vieno kitokio kvarko junginiai gyvuoja vos kelias šimtamilijonąsias sekundės dalis. O [math]\Xi_c^+[/math] irgi gyvuoja labai trumpai – mažiau nei vieną trilijonąją sekundės dalį, todėl jie aptinkami per tolesnio skilimo produktus – tuos pačius kaonus, protonus ir dar vieną dalelę pioną [math]\pi^+[/math].
Išmatavę pėdsakus – diagramoje matavimų duomenys pažymėti juodais taškais – pastebime, kad energijų intervale tarp 3000 ir 3140 MeV yra penki aiškūs intensyvumo pikai. MeV, arba megaelektronvoltas, yra energijos matavimo vienetas, lygus kiek daugiau nei vienai dešimtmilijardajai SI sistemos vieneto džaulio daliai. Kasdieniame mūsų pasaulyje tokie vienetai prasmės neturi, bet dalelių fizikoje jie yra labai patogūs. Daugelio dalelių rimties masės energijos (gaunamos naudojant garsiąją formulę [math]E = mc^2[/math]) matuojamos būtent MeV ir panašiais vienetais. Pavyzdžiui, ir protono, ir neutrono rimties masės energijos yra apie 930 MeV.
Kokios gali būti naujai atrastosios dalelės? Pasirodo, į [math]\Xi_c^+[/math] ir [math]K^-[/math] skyla būtent [math]\Omega_c^0[/math] barionai. Taigi naujieji radiniai yra greičiausiai skirtingos – sužadintos – to paties bariono būsenos. Panašiai, kaip elektronai atomuose gali turėti įvairias energijos vertes, taip ir kvarkai junginiuose gali įgyti aukštesnę energiją, kurios visgi neužtenka junginiui išardyti. Ir vėlgi panašiai, kaip elektronų energija atomuose, taip ir kvarkų energija junginiuose gali turėti tik tam tikras griežtai apibrėžtas vertes – yra kvantuota. Atrastos naujos dalelės yra penkios sužadintos [math]\Omega_c^0[/math] bariono būsenos. Jos įvardintos pagal savo energijas: [math]\Omega_c\left(3000\right)^0[/math], [math]\Omega_c\left(3050\right)^0[/math], [math]\Omega_c\left(3066\right)^0[/math], [math]\Omega_c\left(3090\right)^0[/math] ir [math]\Omega_c\left(3119\right)^0[/math].
Kuo svarbus šis atradimas? Visų pirma, tai pirmas atvejis, kai viena duomenų rinkinio analizė atskleidžia net penkių naujų dalelių būsenų egzistavimą. Tai pavyko tik dėl milžiniško duomenų kiekio, kuris buvo surinktas LHC eksperimentų metu. Visų būsenų aptikimai yra tvirtai statistiškai patikimi – praktiškai nėra šansų, kad tai gali būti statistinis svyravimas, fizikinės reikšmės neturinti variacija duomenų aibėje.
Antra atradimo svarba – žinodami sužadintų [math]\Omega_c^0[/math] bariono būsenų savybes, galėsime geriau nagrinėti kvarkų sąveikas barionų viduje. Šias sąveikas tyrinėja kvantinės fizikos šaka, vadinama kvantine chromodinamika. Galimybė patikrinti jos prognozes leis geriau suprasti, kaip kvarkai jungiasi į barionus, tokius kaip tie patys [math]\Omega_c^0[/math] ir netgi mums įprasti protonai bei neutronai. Net ir apie šiuos kvarkų junginius dar ne viską esame išsiaiškinę. Dar mažiau žinome apie tetrakvarkus ar pentakvarkus, sudarytus atitinkamai iš keturių ar penkių kvarkų. Šios dalelės per pastaruosius keletą metų irgi aptiktos LHC, nors anksčiau buvo manoma, kad jos apskritai negali egzistuoti. Elementariųjų dalelių pasaulyje paslapčių kol kas yra daugybė.
Atradimą aprašantį mokslinį straipsnį rasite duomenų bazėje arXiv.