Nowa cząstka w LHC. Mezon Bc*+ właśnie dołączył do elitarnego klubu

Wyobraź sobie, że próbujesz złapać cząstkę, która rozpada się w ułamku sekundy, emitując foton o energii tak małej, że standardowe detektory go nie widzą. Fizycy z eksperymentu ATLAS w CERN właśnie tego dokonali – i ogłosili odkrycie nowego mezonu Bc*+. To nie tylko kolejna cząstka w kolekcji LHC, ale klucz do zrozumienia, jak kwarki łączą się w pary pod wpływem najsilniejszej ze znanych sił natury.

Rodzina z dwoma ciężkimi kwarkami

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

Mezony to cząstki złożone z pary kwark–antykwark. Większość z nich zawiera jeden ciężki i jeden lekki kwark – na przykład mezon B składa się z kwarka pięknego (b) i lekkiego antykwarka. Nowo odkryty Bc*+ należy jednak do wyjątkowo rzadkiej rodziny: zawiera dwa ciężkie kwarki różnych typów – kwark powabny (c) oraz antykwark piękny (b). Stan podstawowy tej rodziny, mezon Bc+, został odkryty już wcześniej. Fizycy od lat polowali na jego najlżejszy stan wzbudzony – właśnie Bc*+. Układy takie są niezwykle cenne, bo pozwalają testować modele oddziaływań silnych w warunkach, w których symetria między kwarkami jest złamana. W przeciwieństwie do bardziej symetrycznych układów, takich jak charmonium (cc) czy bottomonium (bb), mezony Bc dają wgląd w dynamikę wiązania dwóch różnych ciężkich kwarków.

Polowanie na niewidzialny foton

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

Dlaczego odkrycie zajęło tyle lat? Teoretycy przewidywali, że masa Bc*+ będzie tylko o około 50–70 MeV większa od masy stanu podstawowego. To niewielka różnica – jakby porównywać ciężar piórka do ciężaru całego ptaka. Bc*+ rozpada się niemal natychmiast do Bc+, emitując foton o bardzo małej energii. Takie fotony są niezwykle trudne do wykrycia w detektorach LHC. Zespół ATLAS wykorzystał pełny zestaw danych z drugiej kampanii badawczej Wielkiego Zderzacza Hadronów (2015–2018). Kluczowym pomysłem było szukanie fotonów poprzez ich konwersję na pary elektron–pozyton w materiale detektora. Dzięki temu udało się zarejestrować sygnały, które normalnie przepadłyby w szumie. W danych pojawił się wyraźny nadmiar zdarzeń – istotność statystyczna przekroczyła 8 sigma, co w fizyce cząstek oznacza formalne odkrycie. Zmierzona różnica mas wyniosła 64,5 ± 1,4 MeV, co odpowiada masie nowej cząstki równej około 6339 MeV. Wynik bardzo dobrze zgadza się z wcześniejszymi przewidywaniami, choć jest nieco większy od wartości uzyskiwanych w najnowszych obliczeniach.

82. cząstka w kolekcji LHC

Odkrycie Bc*+ zwiększa liczbę nowych cząstek znalezionych w Wielkim Zderzaczu Hadronów do 82. Każda z nich to kolejny kawałek układanki, którą fizycy układają od dziesięcioleci – jak dokładnie działa oddziaływanie silne, które wiąże kwarki w protony, neutrony i wszystkie inne hadrony. Szczegóły badań opublikowano w artykule Observation of a Bc*+ meson with the ATLAS detector. Co dalej? Fizycy będą teraz porównywać swoje modele z nowymi danymi. Być może uda się wyjaśnić niewielką rozbieżność między pomiarem a najnowszymi obliczeniami teoretycznymi. A może czekają nas kolejne niespodzianki – w końcu im precyzyjniej mierzymy, tym więcej pytań się pojawia.

Odkrycie Bc*+ to nie tylko suchy wpis do katalogu cząstek. To dowód na to, że nawet w najlepiej zbadanych zakątkach fizyki wciąż czekają na nas nowe, fascynujące obiekty. I choć na co dzień nie myślimy o kwarkach, to właśnie one – połączone w pary, trójki i bardziej skomplikowane układy – budują całą materię wokół nas. Każda nowa cząstka to kolejny fragment układanki, która pewnego dnia może doprowadzić nas do pełnego zrozumienia, z czego zbudowany jest Wszechświat.