Nowa cząstka w LHC. Mezon Bc*+ ujawnia tajemnice silnego oddziaływania

Wielki Zderzacz Hadronów znów zaskakuje. Tym razem fizycy z eksperymentu ATLAS donieśli o zaobserwowaniu cząstki, której istnienie było przewidywane od lat, ale przez swoją nieuchwytność wymykała się detektorom. To mezon Bc*+ – najlżejszy stan wzbudzony w rodzinie mezonów Bc. Dlaczego akurat on jest tak ważny? Bo pozwala spojrzeć w głąb jednej z najbardziej fundamentalnych sił natury.

Dwa różne, ciężkie kwarki – rzadki układ

→ Czytaj też: Antyneutrina z reaktora wykryte 240 km dalej. Wystarczyła woda

Mezony to cząstki zbudowane z pary kwark–antykwark. Większość z nich zawiera kwarki tego samego typu – na przykład kwark powabny i antykwark powabny (charmonium) lub kwark piękny i antykwark piękny (bottomonium). Mezon Bc*+ jest wyjątkowy, bo łączy kwark powabny (c) z antykwarkiem pięknym (b). To dwa różne, ciężkie kwarki, co czyni go doskonałym poligonem doświadczalnym dla teorii opisujących oddziaływania silne.

Stan podstawowy tej rodziny – mezon Bc+ – został odkryty już wcześniej. Fizycy od dawna polowali na jego najlżejszy stan wzbudzony, właśnie Bc*+. Teoretycy przewidywali, że masa nowej cząstki będzie tylko o 50–70 MeV większa od masy stanu podstawowego. To niewiele – dla porównania masa protonu to około 938 MeV. Taka subtelna różnica sprawia ogromne problemy eksperymentalne.

Polowanie na foton – klucz do sukcesu

→ Czytaj też: Wyłączają Wielki Zderzacz Hadronów. Nie po to, by umarł, ale by stać się fabryką

Dlaczego Bc*+ był tak trudny do wykrycia? Ponieważ rozpada się niemal natychmiast do Bc+, emitując przy tym foton o bardzo małej energii. Takie fotony są niezwykle trudne do zarejestrowania w detektorach LHC standardowymi metodami. Zespół ATLAS zastosował sprytny trik: szukali fotonów poprzez ich konwersję na pary elektron–pozyton w materiale detektora. Dzięki temu udało się uchwycić nawet te najsłabsze sygnały.

Wykorzystano pełny zestaw danych z drugiej kampanii badawczej Wielkiego Zderzacza Hadronów, prowadzonej w latach 2015–2018. W danych pojawił się wyraźny nadmiar zdarzeń odpowiadający nowej cząstce. Istotność statystyczna sygnału przekroczyła 8 sigma – w fizyce cząstek to formalne odkrycie, daleko powyżej wymaganego progu 5 sigma. Zmierzona różnica mas między Bc*+ a Bc+ wyniosła 64,5 ± 1,4 MeV, co odpowiada masie nowej cząstki równej około 6339 MeV.

Teoria spotyka się z eksperymentem

Wynik bardzo dobrze zgadza się z wcześniejszymi przewidywaniami modeli teoretycznych, choć jest nieco większy od wartości uzyskiwanych w najnowszych obliczeniach. To oznacza, że modele trzeba będzie nieco poprawić – a to w nauce świetna wiadomość. Odkrycie dostarcza nowych danych do testowania teorii opisujących zachowanie kwarków związanych przez oddziaływanie silne.

Układy takie jak mezon Bc*+ są niezwykle interesujące, ponieważ w przeciwieństwie do bardziej symetrycznych układów zawierających kwark i antykwark tego samego rodzaju, pozwalają badać dynamikę wiązania między dwoma różnymi ciężkimi kwarkami. To z kolei daje wgląd w strukturę materii na najbardziej fundamentalnym poziomie.

82. cząstka w kolekcji LHC

Liczba nowych cząstek odkrytych w LHC wzrosła do 82. Każda z nich to kolejny element układanki, która ma pomóc zrozumieć, jak zbudowany jest Wszechświat. Mezon Bc*+ jest szczególny, bo potwierdza przewidywania teoretyczne i jednocześnie stawia nowe pytania. Szczegóły badań opublikowano w artykule „Observation of a Bc*+ meson with the ATLAS detector”.

To odkrycie pokazuje, że nawet po latach pracy LHC wciąż jest w stanie zaskakiwać. Kolejne kampanie badawcze, w tym planowane na najbliższe lata, mogą przynieść jeszcze więcej niespodzianek. A każda nowa cząstka to krok bliżej do pełnego zrozumienia, jak działa przyroda w swojej najgłębszej, kwantowej istocie.