Νέο σωματίδιο εμφανίστηκε στην Ιαπωνία

Από σελίδα του PhysicsWeb, 14 Νοεμβρίου 2003

Η συνεργασία Belle στο εργαστήριο KEK στην Ιαπωνία έχει ανακαλύψει ένα νέο υποατομικό σωματίδιο, που ονομάστηκε "X(3872)". Το σωματίδιο δεν ταιριάζει με κανένα άλλο γνωστό σχέδιο σωματιδίου και οι θεωρητικοί φυσικοί σκέπτονται ότι είναι ένας, έως τώρα απαρατήρητος, τύπος μεσονίου που περιέχει τέσσερα κουάρκ. Η ανακάλυψη, που θα δημοσιευθεί στο Physical Review Letters, έχει επιβεβαιωθεί και από τη συνεργασία CDF στο Fermilab των ΗΠΑ, όπου όμως εκεί το νέο σωματίδιο ονομάζεται "μεσόνιο μυστηρίου".

Τα μεσόνια είναι σωματίδια που περιέχουν ένα κουάρκ και ένα αντι-κουάρκ που συγκρατούνται μαζί από την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Δεδομένου ότι υπάρχουν έξι διαφορετικές "γεύσεις" του κουάρκ - επάνω, κάτω, παράξενο, γοητευτικό, κατώτατο και κορυφαίο - είναι δυνατόν να σχηματίζεται ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών μεσονίων.

Η ομάδα Belle λοιπόν μέτρησε την αποσύνθεση των Β-μεσόνιων - μεσόνια που περιέχουν ένα κουάρκ bottom - τα οποία παρήχθησαν στις συγκρούσεις ηλεκτρονίων με ποζιτρόνια στο εργοστάσιο-Β του KEK στην Ιαπωνία. Η ομάδα κατέγραψε τον αριθμό των υποψηφίων γεγονότων για τα μεσόνια Β σε σχέση με τη μάζα και παρατήρησε μια σημαντική αιχμή στην ενέργεια των 0.775 GeV. Αυτή όμως η ενέργεια αντιστοιχεί σε μια μάζα σχεδόν 3872 MeV. Το σωματίδιο διασπάστηκε σχεδόν αμέσως σε άλλα, μεγαλύτερης διάρκειας ζωής σωματίδια.

Η ομάδα του KEK λέει ότι η μάζα αυτού του νέου μεσονίου είναι υψηλότερη από τις θεωρητικές προβλέψεις. Επιπλέον, ο τρόπος με τον οποίο διασπάστηκε επίσης διαφέρει από τη θεωρία. Η μια πιθανότητα είναι ότι τα τρέχοντα μοντέλα της ισχυρής πυρηνικής δύναμης χρειάζονται να τροποποιηθούν. Εναλλακτικά θα μπορούσε να οφείλεται στο ότι το σωματίδιο Χ(3872) είναι το πρώτο παράδειγμα ενός μεσονίου "μοριακής κατάστασης" που περιέχει δύο κουάρκ και δύο αντικουάρκ.

Μέχρι σήμερα οι φυσικοί στοιχειωδών σωματιδίων είχαν ανιχνεύσει μόνο σωματίδια που να περιέχουν δύο ή τρία κουάρκ.

Εντούτοις, πριν ένα χρόνο περίπου προέκυψαν στοιχεία και για ένα άλλο σωματίδιο τεσσάρων κουάρκ, που είναι γνωστό ως Ds (2317) και ένα σωματίδιο με πέντε κουάρκ, που είναι γνωστό ως πεντακουάρκ.

Γοητεία και αντι-γοητεία

Τα σωματίδια που περιέχουν κουάρκ χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες. Τα βαρυόνια, όπως είναι τα σταθερά πρωτόνια και τα νετρόνια στους πυρήνες, που περιέχουν τρία από τα έξι γνωστά κουάρκ. Και τα μεσόνια που περιέχουν δύο, ένα κουάρκ και ένα αντι-κουάρκ, αλλά δεν είναι ποτέ σταθερά και εξαφανίζονται σε κλάσμα του δευτερολέπτου.

Ένας τύπος μεσόνιου, που φτιάχνεται από ένα κουάρκ με το χρώμα charm (γοητευτικό) και ενός κουάρκ αντι-charm, λέγεται χαρμόνιο (charmonium). Έτσι η αναζήτηση ενός χαρμόνιου (charmonium), που λέγεται psi2, οδήγησε στην ανακάλυψη του νέου σωματιδίου, που ονομάστηκε σε Χ(3872).

Αρχικά, η ομάδα Belle σκέφτηκε ότι είχαν βρει το psi2. Αλλά βρήκαν ότι το σωματίδιο ήταν 60 MeV βαρύτερο από τη μάζα που προβλεπόταν από την Κβαντική Χρωμοδυναμική (QCD). Έτσι μια πιο καλύτερη ανάλυση αποκάλυψε δύο ακόμα προβλήματα. Αρχικά το σωματίδιο δεν διασπάστηκε με κανέναν από τους δύο προβλεφθέντες τρόπους. Αφετέρου, ο τρόπος που η ενέργεια κατανεμήθηκε μέσα στον παρατηρούμενο τρόπο διάσπασης δεν ταίριαζε με τη θεωρία για το charmonium.

Αλλά τότε οι ερευνητές παρατήρησαν μια παράξενη σύμπτωση - το σωματίδιο Χ είχε ακριβώς την ίδια μάζα με το άθροισμα δύο εντελώς διαφορετικών σωματιδίων, και τα δύο ήταν μεσόνια D. Τα μεσόνια D περιέχουν είτε ένα γοητευτικό κουάρκ ή ένα αντι-γοητευτικό κουάρκ, αλλά όχι και τα δύο.

Η σύμπτωση αυτή δείχνει ότι αντί για ένα μόνο σωματίδιο charmonium, το σωματίδιο Χ ήταν δύο μεσόνια D που ενώθηκαν μαζί, ακριβώς όπως τα άτομα συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα μόριο.

Οι θεωρητικοί έχουν υποθέσει ότι ένα σωματίδιο δύο μεσονίων μπορεί να υπάρξει, από τη δεκαετία του '70, αλλά αυτό δεν είχε επιβεβαιωθεί ποτέ πειραματικά. Η καλύτερη ένδειξη ήταν μέχρι τώρα ένα ελαφρύτερο σωματίδιο, το Ds2317, που αποκαλύφθηκε τον Απρίλιο στον Γραμμικό Επιταχυντή του Στάνφορντ (SLAC).

"Ο κόσμος έχει χρησιμοποιήσει το διπλό μεσόνιο για να λύσει τα θεωρητικά προβλήματα, αλλά δεν υπάρχει καμιά απόδειξη γι' αυτό," είπε ο Steve Olsen, του Πανεπιστημίου της Χαβάης, και μέλος της Συνεργασίας Belle, που ανακάλυψε το νέο σωματίδιο.

Για να επιβεβαιωθούν οι θεωρίες, λέει ο Olsen ότι απαιτούνται περισσότερα πειράματα πάνω στις συγκρούσεις σωματιδίων. Αλλά αυτός είναι επίσης απασχολημένος ψάχνοντας για σωματίδια, που θα μπορούσαν με κάποιες ρυθμίσεις στη θεωρία QCD, να εξηγήσουν το νέο σωματίδιο Χ.