Nowa cząstka w LHC. Mezon Bc*+ uzupełnia kwarkową układankę

Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN-ie nie zwalnia tempa. Choć od odkrycia bozonu Higgsa minęło już kilkanaście lat, maszyna wciąż zaskakuje. Tym razem fizycy z eksperymentu ATLAS poinformowali o zaobserwowaniu nowej cząstki – mezonu Bc*+. To nie byle jaki dodatek do cząstkowej menażerii. Cząstka ta należy do wyjątkowo rzadkiej rodziny układów zawierających dwa ciężkie kwarki różnych typów. Dlaczego to takie ważne? Bo pozwala zajrzeć w samo serce oddziaływań silnych, jednej z fundamentalnych sił natury.

Dwa ciężkie kwarki, jeden mezon

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

Mezony to cząstki zbudowane z pary kwark–antykwark. Większość z nich zawiera jeden ciężki i jeden lekki kwark. Ale są wyjątki. Nowo odkryty Bc*+ składa się z kwarka powabnego (c) oraz antykwarka pięknego (b). Oba są bardzo ciężkie – stąd nazwa „podwójnie ciężki mezon”.

Stan podstawowy tej rodziny, mezon Bc+, został odkryty już wcześniej. Fizycy od lat próbowali jednak znaleźć jego najlżejszy stan wzbudzony – właśnie Bc*+. W przeciwieństwie do bardziej symetrycznych układów, takich jak charmonium czy bottomonium – które zawierają kwark i antykwark tego samego rodzaju – mezony Bc zawierają dwa różne ciężkie kwarki. To daje dodatkowy wgląd w dynamikę ich wzajemnego wiązania.

Polowanie na foton

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

Teoretycy przewidywali, że masa mezonu Bc*+ powinna być jedynie o około 50–70 MeV większa od masy stanu podstawowego. To niewielka różnica – dla porównania, masa protonu to około 938 MeV. Taka subtelność sprawia ogromne problemy eksperymentalne. Bc*+ rozpada się niemal natychmiast do Bc+, emitując przy tym foton o bardzo małej energii. Tego typu fotony są niezwykle trudne do wykrycia w detektorach LHC.

Badacze z ATLAS wykorzystali pełny zestaw danych z drugiej kampanii badawczej Wielkiego Zderzacza Hadronów z lat 2015–2018. Kluczowym elementem analizy było wykrywanie fotonów poprzez ich konwersję na pary elektron–pozyton w materiale detektora. Dzięki temu udało się rejestrować fotony o energiach zbyt małych dla standardowych metod.

Osiem sigma pewności

W danych pojawił się wyraźny nadmiar zdarzeń odpowiadający nowej cząstce. Istotność statystyczna sygnału przekroczyła 8 sigma. W fizyce cząstek próg do ogłoszenia odkrycia wynosi 5 sigma. Wynik jest więc bezdyskusyjny. Zmierzona różnica mas między Bc*+ a Bc+ wyniosła 64,5 ± 1,4 MeV. Odpowiada to masie nowej cząstki równej około 6339 MeV.

Co ciekawe, wynik bardzo dobrze zgadza się z wcześniejszymi przewidywaniami modeli teoretycznych, choć jest nieco większy od wartości uzyskiwanych w najnowszych obliczeniach. Odkrycie dostarcza więc nowych danych do testowania teorii opisujących zachowanie kwarków związanych przez oddziaływanie silne.

82. cząstka w kolekcji LHC

Liczba nowych cząstek odkrytych w LHC zwiększyła się do 82. Każda z nich to kolejny element układanki, którą fizycy składają od dziesięcioleci. Mezon Bc*+ nie jest może tak spektakularny jak bozon Higgsa, ale dla specjalistów od chromodynamiki kwantowej – teorii opisującej oddziaływania silne – to prawdziwa gratka.

Układy takie jak Bc*+ pozwalają testować modele w warunkach, w których symetria między kwarkami jest złamana. To z kolei pomaga lepiej zrozumieć, jak kwarki łączą się w protony, neutrony i inne cząstki, z których zbudowana jest cała znana nam materia.

Szczegóły badań opublikowano w artykule Observation of a Bc*+ meson with the ATLAS detector na łamach arXiv. Kto wie, co jeszcze kryje się w danych z LHC? Jedno jest pewne – fizyka cząstek wciąż ma przed sobą wiele tajemnic.