Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 2 – vyšlo 12. ledna, ročník 2 (2004) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

2/2004

Po pentakvarku objeven i tetrakvark?

Petr Kulhánek

Naše chápání silné interakce a stavby elementárních částic není zdaleka úplné. Každou chvíli se objeví experimenty, jejichž vysvětlení není jednoduché. V roce 2003 byla objevena nezávisle třemi experimentálními skupinami částice složená z pěti kvarků (Bulletin 44/2003) neboli pentakvark. V dubnu 2003 se na urychlovači SLAC objevila částice Ds(2317), která by mohla být složena ze čtyř kvarků. Ať tomu tak je či není, studium této částice umožní hlubší poznání silné interakce.

Hadron - jakákoli částice složená z kvarků. Dělíme je na mezony a baryony. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). Mezon - částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost "mezi" hmotností elektronu a protonu. D mezon - částice složená z kvarku c a antikvarku d. Kvark c je podstatně hmotnější a tvoří centrum, kolem kterého "obíhá" lehký antikvark d. Ds mezon - částice složení z kvarku c a antikvarku s. Antikvark s má opět menší hmotnost než kvark c, který tvoří přirozené centrum systému. Baryon - částice složená ze tří kvarků s různým barevným nábojem. Mezi nejznámější baryony patří částice jádra - neutron a proton. Tetrakvark - částice složená ze čtyř kvarků. Donedávna nebyla tato možnost vůbec uvažována. Pentakvark - částice složená z pěti kvarků. První částice tohoto typu byla objevena v roce 2003. SLAC - Stanford Linear Accelerator Center, přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordské universitě v Kalifornii. Urychlovač je v provozu od roku 1962. BABAR - B and B-bar experiment. Experiment ve Stanfordu, kterému se přezdívá B-factory (továrna na beautonium, vázaný stav bb).

Silná interakce

Silná interakce je především zodpovědná za to, že atomové jádro drží pohromadě, proto se jí také někdy říká jaderná interakce.

Na konci 50. a v průběhu 60. let se fyzikové pokoušeli vysvětlit podstatu silné interakce i chování tzv. těžkých částic (hadronů) pomocí různých modelů. Tyto částice podléhají působení silné interakce. Mezi nejznámější hadrony patří částice tvořící atomové jádro - proton a neutron, které nazýváme souhrnně nukleony.

Tyto snahy vyústily v kvarkový model navržený nezávisle M. Gell-Mannem a G. Zweigem v roce 1964. Dnes podle tohoto modelu předpokládáme, že hadrony jsou tvořeny z šestice kvarků (d, u, s, c, b, t) a odpovídající šestice antikvarků. V roce 1969 bylo na lineárním urychlovači SLAC ve Stanfordu v rozptylových experimentech potvrzeno, že se protony skutečně skládají z elementárnějších komponent - kvarků d a u. Kvark s byl nalezen zanedlouho. Kvark c byl objeven ve vázaných stavech charmonia J/ψ dvěma nezávislými skupinami v roce 1974. Částici J nalezla skupina vedená Tingem na protonovém urychlovači v Brookhavenu v experminetech s pevným terčem a stejnou částici pod názevem ψ nalezla skupina vedená Richterem na kolideru SPEAR ve Stanfordu. V roce 1976 byly objeveny vázané stavy kvarku b. Dlouho očekávaná existence posledního kvarku t byla potvrzena až v roce 1994 v laboratoři Fermilab.

Slavný urychlovač SLAC ve Stanfordu. Délka je přes tři kilometry.

Kvarky se spojují do větších celků pomocí silné interakce. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (glue = lepidlo), které kvarky spojují do dvojic a trojic, možná i čtveřic a pětic. Gluony jsou velice zvláštním "lepidlem". Jsou-li kvarky na vzdálenostech menších jak 10⁻¹⁵ m, silná interakce na ně téměř nepůsobí. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Jakmile se ale kvarky začnou vzdalovat, silná interakce je stále silnější a silnější. V tom je silná interakce úplně jiná než nám dobře známá interakce gravitační nebo elektromagnetická a fakt, že interakce se vzdáleností neslábne, komplikuje mnohé přibližné výpočty.

Částice složené z kvarků

Kvarky jsou fermiony se spinem 1/2 a jako takové splňují Pauliho vylučovací princip. Dva kvarky nemohou být ve stejném stavu. Přesto existují elementární částice složené ze tří stejných kvarků. Znamená to, že každý kvark musí existovat ve třech různých modifikacích, které se liší nějakou kvantovou vlastností. Tuto vlastnost nazvali fyzikové barva (se skutečnou barvou nemá nic společného). Pokud částici tvoří tři stejné kvarky, liší se od sebe barevným nábojem. Barva částice není navenek poznatelná, kvarky tvoří bezbarvé kombinace. Buď se spojí kvark s antikvarkem (barva s antibarvou) nebo se spojí tři kvarky různých barev, které se navenek vyruší (podobně jako dá červená, zelená a modrá barvu bílou). Konfiguraci kvark-antikvark nazýváme mezon a bezbarvou konfiguraci tří kvarků baryon. Náš svět je tvořen především z lehkých kvarků d a u. Jsou z nich vytvořeny protony (uud) a neutrony (ddu), mezony π a ρ i další částice. Těžší kvarky se vyskytují velmi zřídka a v drtivé většině je připravujeme na urychlovačích.

Ds mezony a problém hmotnosti

Na urychlovačích je možné připravit i mezony obsahující těžké kvarky. Jednou z těchto rodin částic jsou D mezony. Obsahují těžký kvark c, kolem kterého obíhá lehký antikvark d. Nejde samozřejmě o skutečný oběh (podobně jako elektron neobíhá doslova kolem atomového jádra). Jinou variantou jsou Ds mezony, ve kterých kolem těžkého kvarku c obíhá lehčí antikvark s.

28. 4. 2003 byl oznámen ve Stanfordu na urychlovači SLAC v experimentu BaBar objev mezonu Ds(2317). Číslo v závorce u názvu elementární částice udává  její hmotnost v megaelektronvoltech. Hmotnost nelezené částice je tedy 2317 MeV neboli 2,32 GeV. A právě zde je problém, podle stávající teorie by její hmotnost měla být o celých 170 MeV větší. Nová částice je nestabilní a záhy se rozpadá na mezony D⁺ a π⁰.

  

Experiment BaBar. Nalevo model, napravo při instalaci v dubnu 1999.

Možná vysvětlení

Skupina experimentátorů, která objev oznámila, vysvětluje nesoulad naměřené hmotnosti s teorií tím, že by mohlo jít o částici složenou ze dvou kvarků a dvou antikvarků, tedy o zcela unikátní konfiguraci kvarků - tzv. tetrakvark. V tomto smyslu skupina oznámila objev v prestižním časopise Physical Review Letters. Na článku je podepsáno 500 vědců (Aubert et al.) z 76 vědeckých institucí! Článek byl odeslán 11. 4. 2003 a publikován byl 20. 6. 2003.

Portugalští teoretici Eef van Beveren (University of Combria) a George Rupp (CFIF lab, Lisabon) poukazují, že nesoulad hmotnosti lze vysvětlit i jinak. V teorii silné interakce stačí započítat dočasně vznikající virtuální kvark-antikvarkové páry, podobně jako se v elektromagnetické teorii započítávají virtuální elektron-pozitronové páry (ty jsou zodpovědné například za polarizaci vakua). V rámci této teorie by D a Ds částice byly jen různými stavy téže částice a hmotnost nově objevené částice by odpovídala teorii.

Kde je pravda, není v tuto chvíli známo. Jedno je ale jisté. Další výzkum vlastností nové částice zlepší naše znalosti o silné interakci. Teorie navíc předpovídá existenci dalšího Ds mezonu s hmotností 2,8 GeV, který ještě nebyl objeven. Třeba nám objev této částice přinese řešení nebo další překvapení.

Odkazy