Ανακαλύφθηκαν εξωτικοί συγγενείς των πρωτονίων και νετρονίων

Πηγή: Εργαστήριο Fermi, 23 Οκτωβρίου 2006

Επιστήμονες από τη συνεργασία CDF - στον επιταχυντή Fermi - ανήγγειλαν την ανακάλυψη δύο σπάνιων τύπων σωματιδίων, εξωτικοί συγγενείς των πιο κοινών σωματιδίων, του πρωτονίου και του νετρονίου.

"Αυτά τα σωματίδια, ονομάζονται Σίγμα υπο-β [ Σb ], είναι σαν τα σπάνια κοσμήματα τα οποία εξαγάγαμε από τα στοιχεία μας", λέει ο Jacobo Konigsberg, στο πανεπιστήμιο της Φλώριδας και ένας εκπρόσωπος της συνεργασίας CDF. "Κομμάτι κομμάτι, φτιάχνουμε μια καλύτερη εικόνα για το πώς χτίζεται η ύλη από τα κουάρκ. Μαθαίνουμε περισσότεροι για τις υποατομικές δυνάμεις που συγκρατούν μαζί τα κουάρκ και τα αποσπούν μακριά. Η ανακάλυψη αυτή βοηθά να συμπληρώσουμε τον "περιοδικό πίνακα των βαρυονίων."

Τα βαρυόνια είναι σωματίδια που περιέχουν τρία κουάρκ, τις πιο θεμελιώδεις δομικές μονάδες της ύλης. Η συνεργασία CDF ανακάλυψε δύο τύπους σωματιδίων Σίγμα-υπο--β, που το καθένα είναι περίπου έξι φορές βαρύτερο από ένα πρωτόνιο.

Αριστερά: το πρωτόνιο

Υπάρχουν έξι διαφορετικοί τύποι κουάρκ: πάνω, κάτω, παράξενο, γοητευτικό, πυθμένιο (bottom) και το κορυφαίο (top) ή u, d, s, c, b και t. Οι δύο τύποι βαρυονίων που ανακαλύφθηκαν από το πείραμα CDF αποτελούνται το ένα από δύο πάνω και ένα πυθμένιο κουάρκ (u-u-b), και το άλλο από δύο κάτω κουάρκ και ένα πυθμένιο κουάρκ (d-d-b). Για σύγκριση, τα πρωτόνια είναι συνδυασμός τριών κουάρκ u-u-d, ενώ τα νετρόνια είναι συνδυασμός d-d-u. Τα νέα σωματίδια είναι εξαιρετικά βραχύβια και διασπώνται μέσα σε ένα ελάχιστο κλάσμα του ενός δευτερολέπτου.

Με τη χρησιμοποίηση του επιταχυντή Tevatron στο Fermilab, ο πιο ισχυρός επιταχυντής του κόσμου, οι φυσικοί μπορούν να αναδημιουργήσουν τις συνθήκες  που ήταν παρούσες στην πρώιμη εποχή του σύμπαντος, αναπαράγοντας έτσι την εξωτική ύλη που ήταν άφθονη λίγες στιγμές μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Ενώ η ύλη γύρω μας αποτελείται μόνο από δύο τύπους κουάρκ πάνω και κάτω, η εξωτική ύλη περιέχει κι άλλα κουάρκ.

Ο επιταχυντής Tevatron στο Fermilab επιταχύνει πρωτόνια και αντιπρωτόνια κοντά στην ταχύτητα του φωτός και τα αναγκάζει να συγκρουστούν. Στις συγκρούσεις, η ενέργεια μετατρέπεται σε μάζα, σύμφωνα με τη διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν. Για να αυξήσουν τις χαμηλές πιθανότητες που έχουν για να παράγουν τα πυθμένια κουάρκ -- τα οποία μετασχηματίζονται στη συνέχεια σε Σίγμα-υπο--β σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής φυσικής -- οι επιστήμονες εκμεταλλεύονται τις δισεκατομμύρια συγκρούσεις που παράγονται στο Tevatron κάθε δευτερόλεπτο.

"Είναι καταπληκτικό που οι φυσικοί μπορούν να φτιάξουν έναν επιταχυντή σωματιδίων που να παράγει πολλές συγκρούσεις, και είναι εξίσου καταπληκτικό που η συνεργασία CDF ήταν σε θέση να αναπτύξει έναν κατάλληλο ανιχνευτή σωματιδίων, που να μπορεί να τα μετρήσει όλα", ανακοίνωσε ο Rob Roser της συνεργασίας CDF στο Fermilab. "Είμαστε βέβαιοι ότι τα στοιχεία μας κρατούν το μυστικό για ακόμη περισσότερες ανακαλύψεις, που θα βρούμε με το χρόνο."

Το πείραμα CDF προσδιόρισε 103 σωματίδια u-u-b, Σίγμα-υπο--β (Σ+b) θετικά φορτισμένα, και 134 σωματίδια d-d-b, Σίγμα-υπο--β (Σ-b) αρνητικά φορτισμένα.

Έξι κουάρκ -- up (πάνω), down (κάτω), strange (παράξενο), charm (γοητευτικό), bottom (πυθμένιο) and top (κορυφαίο) -- είναι οι δομικοί λίθοι της ύλης. Τα πρωτόνια και νετρόνια φτιάχνονται από up και down κουάρκ, συγκρατούνται δε με ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις. Το πείραμα CDF ανακάλυψε εξωτικούς συγγενείς του πρωτονίου και νετρονίου, σωματίδια που περιέχουν το bottom (πυθμένιο) κουάρκ.

Προκειμένου να βρεθεί ο αριθμός αυτός των σωματιδίων ανάμεσα στα προϊόντα των συγκρούσεων, οι επιστήμονες έψαξαν στα προϊόντα περισσότερων από 100 τρισεκατομμυρίων συγκρούσεων  υψηλής ενέργειας ανάμεσα σε πρωτόνια και αντιπρωτόνια, τα οποία παρήχθησαν από τον Tevatron κατά τη διάρκεια των τελευταίων πέντε ετών.

Σε μια επιστημονική παρουσίαση που έγινε στις 20 Οκτωβρίου, ο φυσικός Petar Maksimovic, καθηγητής στο πανεπιστήμιο Johns Hopkins, παρουσίασε την ανακάλυψη και εξήγησε ότι οι δύο τύποι σωματιδίων Σίγμα-υπο--β παράγονται σε δύο διαφορετικούς συνδυασμούς σπιν, J=1/2 και J=3/2, που αντιπροσωπεύουν μια θεμελιώδη και μια διεγερμένη κατάσταση, όπως προβλέπεται από τη θεωρία.

Η θεωρία των κουάρκ προβλέπει έξι διαφορετικούς τύπους βαρυονίων με ένα πυθμένιο κουάρκ και σπιν J=3/2. Το πείραμα CDF έδωσε τώρα δύο από αυτά τα βαρυόνια.

Το CDF είναι ένα διεθνές πείραμα με 700 φυσικούς από 61 ιδρύματα και 13 χώρες. Με την χρησιμοποίηση του Tevatron, οι συνεργασίες CDF και DZero στο Fermilab ανακάλυψαν το κορυφαίο κουάρκ, το τελευταίο κουάρκ και με τη μεγαλύτερη μάζα, το 1995.