Egzotikus pentakvark-részecskék a CERN-ben

Az együttműködő tudósok a Physical Review Letters nevű folyóiratnak elküldött tanulmányukban számolnak be a felfedezésről. „A pentakvark nem egyszerűen egy új részecske – tájékoztatott Guy Wilkinson, az LHCb szóvivője. – Ez a kvarkok, nevezetesen a közönséges protonok és neutronok alapvető komponenseinek egy olyan mintájú összekapcsolódása, amelyet a kísérleti kutatások több mint ötven éve alatt mindeddig nem sikerült megfigyelni. A pentakvarkok tulajdonságainak vizsgálatával talán jobban megérthetjük, hogyan épül fel a közönséges anyag, vagyis a protonok és neutronok, amelyekből mi magunk is állunk.”

Az anyag szerkezetéről alkotott elképzelésünket 1964-ben forradalmasította Murray Gell-Mann amerikai fizikus, aki felvetette, hogy a barion néven ismert részecskefajta – amelybe a protonok és neutronok tartoznak – három szakaszosan töltött részből áll, amelyeket kvarkoknak nevezünk, egy másik részecskefajtát, a mezonokat pedig kvark−antikvark-párok alkotják. Ezért a munkáért Gell-Mann 1969-ben fizikai Nobel-díjat kapott. Ez a kvarkmodell más kvark-összetételű állapotok – pl. a négy kvarkból és egy antikvarkból álló pentakvarkok – létezését is elképzelhetővé teszi. Mostanáig azonban nem találtak döntő bizonyítékot a pentakvarkok létezésére.

A kvarkok lehetséges elhelyezkedése egy olyan pentakvark-részecskében, amilyet az LHCb-kísérletben felfedeztek. Az öt kvark kötődhet szorosan.

Összeállhatnak egy mezonból (egy kvark és egy antikvark) és egy barionból (három kvark) összetevődő, gyenge kötésű molekulává is.

Az LHCb kutatói egy Λb (Lambda b) néven ismert barion három más részecskére − egy J-pszíre (J/ψ), egy protonra és egy töltött kaonra − bomlásának vizsgálatával keresték a pentakvarkokat. A J-pszí és a proton tömegspektrumának vizsgálatából kiderült, hogy keletkezésükkor időnként köztes állapotok is kialakulnak. Ezeknek a Pc (4450)+ és Pc (4380)+ nevet adták.

„Az LHC által előállított nagy adathalmazt és detektorunk kiváló pontosságát kihasználva, e jelek összes lehetőségét megvizsgáltuk, és arra a végkövetkeztetésre jutottunk, hogy ezek csak a pentakvark állapotokkal magyarázhatók meg, pontosabban: ezt az állapotot két fel kvarknak, egy le kvarknak, egy bájos kvarknak és egy antibájos kvarknak kell alkotnia – mondja Tomasz Skwarnicki, a Syracuse-i Egyetem fizikusa.”

A pentakvarkok keresésére irányuló korábbi kísérletek nem bizonyultak meggyőzőnek. Az LHCb-kísérlet abban különbözik tőlük, hogy ez sokféle látószögből képes keresni a pentakvarkokat, amelyek mindegyike ugyanabba az irányba mutat. Olyan, mintha a korábbi vizsgálatok csak körvonalakat kerestek volna a sötétben, az LHCb viszont lámpafényben és minden szögből végezné a keresést. A következő lépésben a kvarkoknak a pentakvarkon belüli kötődését fogják vizsgálni.

„A kvarkok kötődhetnek szorosan – állítja Liming Zhang, a Tsinghua Egyetem fizikusa –, de lazán is kapcsolódhatnak egyfajta mezon−barion-molekula formájában, amelyben a mezonra és a barionra egy jelentős maradék erő hat, hasonló ahhoz, amely a protonokat és neutronokat atommaggá egyesíti.”

E lehetőségek megkülönböztetéséhez, illetve az egyéb lehetséges pentakvarkok felderítéséhez további vizsgálatokra lesz szükség. Az LHCb-csapat második LHC-kísérletében keletkező új adatok közelebb vihetnek e kérdések megoldásához.