Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 45 (vyšlo 16. listopadu), ročník 5 (2007) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

45/2007

Exotické mezony a baryony – objev prvního nabitého tetrakvarku?

Petr Kulhánek

V původním kvarkovém modelu látky předloženém nezávisle Murrayem Gell-Mannem a Stephanem Zweigem na počátku 60. let 20. století se uvažovalo o tom, že z kvarků jsou složeny částice s vnitřní strukturou, které nazýváme hadronyHadrony – částice složené z kvarků. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton.. Ty se dále dělí do dvou velkých skupin – mezonůMezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků „d“ a „u“ nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark „s“, nazývá se kaon. složených z jednoho kvarku a jednoho antikvarku a baryonůBaryon – elementární částice složená ze tří kvarků s různým barevným nábojem. Výsledná barva je „bílá“. Baryony podléhají silné interakci a patří proto mezi hadrony. Baryony složené z kvarků první generace (d, u) dělíme na nukleony se spinem rovným 1/2 (proton a neutron) a delta baryony se spinem rovným 3/2 (4 částice s různým nábojem). Baryony obsahující s kvark nazýváme hyperony. Nejznámějším je lambda hyperon. Hyperony byly hojně zastoupené v ranných vývojových fázích vesmíru, často hovoříme o hyperonovém plynu. Dnes vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry a umíme je vytvořit uměle na urychlovačích. složených ze tří kvarků. Mezi nejznámější baryony patří protonProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. a neutronNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní s poločasem rozpadu 886 s (15 minut). V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron., částice tvořící atomární jádra.

Kvarky pojí dohromady do větších celků polní částice silné interakce, které nazýváme gluonyGluony – intermediální (polní, výměnné) částice silné interakce, která působí na hadrony a je krátkého dosahu. Tato interakce spojuje kvarky v mezony a baryony, udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a způsobuje některé rychlé rozpady elementárních částic. Celkem známe 8 gluonů. Tyto polní částice jsou nositeli barevného náboje (náboje silného interakce). Tím se silná interakce odlišuje od elektromagnetické a slabé interakce.. Existují v osmi variantách a jsou nositeli náboje silné interakceSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10⁻¹⁵ m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD)., tzv. barvy. To je podstatný rozdíl od elektromagnetické interakceElektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED)., ve které polní částice, fotonyFoton – polní částice elektromagnetické interakce, kvantum elektromagnetického záření. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění., nemají elektrický náboj. Po roce 2000 se objevilo několik experimentů, ve kterých se zdálo, že by mohly existovat i vázané čtveřice nebo pětice kvarků (tetrakvarky a pentakvarky) a mnohé další exotické kombinace kvarků a gluonů.

Zajímavá je například možnost existence gluonových koulí. Tím, že gluonyGluony – intermediální (polní, výměnné) částice silné interakce, která působí na hadrony a je krátkého dosahu. Tato interakce spojuje kvarky v mezony a baryony, udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a způsobuje některé rychlé rozpady elementárních částic. Celkem známe 8 gluonů. Tyto polní částice jsou nositeli barevného náboje (náboje silného interakce). Tím se silná interakce odlišuje od elektromagnetické a slabé interakce. jako polní částice silné interakce mají náboj této interakce, mohou vytvořit vázaný stav i bez přítomnosti kvarkůKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce.. Problém je ale v tom, že gluonové koule se přimíchávají k běžným stavům mezonůMezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků „d“ a „u“ nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark „s“, nazývá se kaon. a v urychlovačích je téměř nemožné je detekovat, byť by tam měly podle současných znalostí vznikat.

Jinou zajímavostí jsou mezonové nebo baryonové molekuly. Jde o obdobu molekuly v elektromagnetické interakciElektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED)., kdy jednotlivé atomy jsou sice elektricky neutrální, ale mohou se vázat vyššími momenty elektromagnetické interakce (například dipólově) do větších celků. Nábojem silné interakceSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10⁻¹⁵ m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD). je barva, baryonyBaryon – elementární částice složená ze tří kvarků s různým barevným nábojem. Výsledná barva je „bílá“. Baryony podléhají silné interakci a patří proto mezi hadrony. Baryony složené z kvarků první generace (d, u) dělíme na nukleony se spinem rovným 1/2 (proton a neutron) a delta baryony se spinem rovným 3/2 (4 částice s různým nábojem). Baryony obsahující s kvark nazýváme hyperony. Nejznámějším je lambda hyperon. Hyperony byly hojně zastoupené v ranných vývojových fázích vesmíru, často hovoříme o hyperonovém plynu. Dnes vznikají interakcí kosmického záření s horními vrstvami atmosféry a umíme je vytvořit uměle na urychlovačích. i mezonyMezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků „d“ a „u“ nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark „s“, nazývá se kaon. jsou navenek bezbarvé a opět se mohou tzv. zbytkovou silnou interakcí vázat do větších celků. Například neutronyNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10⁻²⁷ kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní s poločasem rozpadu 886 s (15 minut). V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. a protonyProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. se vážou do atomárních jader. Každé atomární jádro (s výjimkou vodíkuVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo v chemické syntéze nebo metalurgie nebo náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish.) je tak vlastně baryonovou molekulou. V přírodě by měly existovat i mezonové molekuly s dvěma nebo více mezony vázanými zbytkovou silnou interakcí. Nadějným kandidátem je exotický mezon X(3872), pozorovaný v japonském experimentu BelleBelle – jeden z experimentů v japonské laboratoři KEK. Jde o sledování narušení CP invariance na kolideru KEK B factory. na urychlovači KEKBKEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačem je KEKB (KEK B factory, továrna na B kvarky). Jde o nesymetrický elektron-pozitronový kolider složený ze dvou prstenců (3,5 GeV a 8 GeV). Maximální tok částic je 10³⁴ cm⁻²s⁻¹. Obvod obou prstenců je 3 016 m. v roce 2003, který by mohl být vázaným stavem dvojice kvarků a dvojice antikvarků.

Japonský experiment Belle na urychlovači KEKB

Dosud sporná je existence pentakvarku – vázaného stavu pětice kvarků. Mělo by jít o čtveřici kvarků a jeden antikvark. Vzhledem k tomu, že kvarky mají baryonové číslo 1/3 a antikvarky –1/3, je výsledné baryonové číslo této kombinace rovno jedné a částici řadíme k tzv. exotickým baryonům. Teoreticky její existenci předpověděli Maxim Polyakov, Dmitrij Diakonov a Victor Petrov z Peterburského institutu jaderné fyziky v roce 1997. Detekci pentakvarku oznámilo v roce 2003 několik pracovišť (Jeffersonova laboratoř, LEPSLEPS – Laser Electron Photon beamline at SPring-8, experiment na synchrotronu SPring-8 (obvod 1 436 m) v japonském Hyogo, kde elektrony urychlené na energii 8 GeV interagují zpětným Comptonovým rozptylem s UV fotony generovanými laserem. Vzniká tak GeV fotonový svazek. Experiment je v provozu od roku 1999., DESYDESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří urychlovač PETRA a laser na volných elektronech FLASH.) jako rezonanční pík o energii 1 540 MeV. Jiná významná pracoviště (BaBarBABAR – B and B-bar experiment. Experiment na urychlovači PEP-II ve Stanfordu, kterému se přezdívá B-factory – továrna na částice obsahující kvarky a antikvarky b., BelleBelle – jeden z experimentů v japonské laboratoři KEK. Jde o sledování narušení CP invariance na kolideru KEK B factory.) tento objev ovšem nepotvrdila a dodnes je existence pentakvarku nejistá, i když experiment LEPS měřil ostrý pík na 1 540 MeV opakovaně i v roce 2005.

Obdobná situace je i s tetrakvarkem, vázaným stavem čtyř valenčních kvarků (dvou kvarků a dvou antikvarků), který by s nulovým baryonovým číslem měl patřit k exotickým mezonům. V dubnu 2003 se na urychlovači SLACSLAC – Stanford Linear Accelerator Center, středisko s několika urychlovači, nejznámějším je přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordské univerzitě v Kalifornii, podle něhož je centrum SLAC pojmenováno. Urychlovač je v provozu od roku 1962. objevila částice Ds(2317), která by mohla být v takovém stavu. Jiným kandidátem je částice X(3872), objevená v japonském experimentu Belle, která je buď mezonovou molekulou a nebo tetrakvarkem. Tyto i další podivně se chovající mezony jsou elektricky neutrální, a tak ve skutečnosti může jít jen o excitované stavy charmonia (vázaného stavu kvarku c a antikvarku c).

V říjnu 2007 ovšem došlo k výraznému posuvu. V experimentu BelleBelle – jeden z experimentů v japonské laboratoři KEK. Jde o sledování narušení CP invariance na kolideru KEK B factory. na japonském urychlovači KEKBKEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačem je KEKB (KEK B factory, továrna na B kvarky). Jde o nesymetrický elektron-pozitronový kolider složený ze dvou prstenců (3,5 GeV a 8 GeV). Maximální tok částic je 10³⁴ cm⁻²s⁻¹. Obvod obou prstenců je 3 016 m. oznámili objev částice Z(4430), která má chování jako ostatní exotické mezony, je ovšem poprvé elektricky nabitá. Nová částice vzniká při rozpadu b kvarků vytvořených při srážce elektronů a pozitronů na nesymetrickém kolideru KEKB. Vzhledem k tomu, že částice je nabitá, mělo by jít o vázaný stav kvarku c, antikvarku c, kvarku u a antikarku d. Po provedení ověřovacích experimentů v jiných laboratořích by mohlo jít o první skutečně prokázaný tetrakvark, který je snadno odlišitelný od excitovaného stavu charmonia.

Klip týdne: Kvark-gluonové plazma

Kvark-gluonové plazma. Celý klip má tři části. V první je zobrazeno kvark-gluonové plazma za vysokých teplot, které panovaly ve vesmíru v časech kratších jak mikrosekunda. Kvarky se setkávají s antikvarky (značeny barevně) za vzniku vysoce energetických fotonů (šedivě). Po srážce se tyto fotony mohou měnit opět na pár kvark-antikvark. Tak, jak se vesmír rozpíná, se pohyb částic zpomaluje. Druhá část animace je věnována detailům hadronizace látky. Od deseti mikrosekund dochází ke spojování kvarků a antikvarků do dvojic (mezony) a trojic (baryony). Souhrnně oba typy částic nazýváme hadrony. Nejznámějšími jsou částice jádra, neutron a proton. Třetí část animace zobrazuje delší časový úsek při procesu hadronizace látky. Opětovně je patrné zpomalování pohybu částic souvisící s poklesem teploty vesmíru. Zdroj: Galactic Odyssey, 1995. (avi, 3 MB)

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu