Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 26 – vyšlo 15. července, ročník 14 (2016) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

26/2016

Exotické hadrony II

Michal Marčišovský

Pokračování

Již koncem šedesátých let, v dobách, kdy byl kvarkový model ještě v částicové fyzice horkou novinkou, byla postulována možnost existence exotických hadronů, jakými jsou tetrakvarky, které obsahují dva kvarky a dva antikvarky, hybridní částice obsahující mimo kvarků jako další stupně volnosti také gluonové excitace, mezonové molekuly a podobně. Takové částice se na tehdejších experimentech nepozorovaly, a proto se jejich existence pohybovala jen v hypotetické rovině.

Umělecká vize exotického hadronu složeného z pěti kvarků, tzv. pentakvarku.
Zdroj: Popular Mechanics.

Rezonance (částicová fyzika) – částice s krátkou dobou života. Je to pík (lokální maximum) v grafu účinného průřezu u srážkových experimentů. Nachází se v okolí definované energetické hladiny u složených částic nebo v okolí invariantní hmotnosti v případě elementárních částic. Každý z hadronů má řadu rezonancí, které odpovídají vnitřním energetickým hladinám v jeho struktuře. Šířka rezonance (Γ) je rovna reciproční hodnotě její doby života. V experimentální fyzice pojmy částice a rezonance splývají. Charmonium – vázaný stav kvarků charm a anticharm. Nejznámějším příkladem stavu charmonia je vektorová (se spinem 1) rezonance J/ψ, která má velkou pravděpodobnost rozpadu na pár mion a antimion (≈6 %), jenž se v koliderovém detektoru dá jednoduše identifikovat. Valenční kvarky – kvarky, které přispívají k celkovým kvantovým číslům hadronu, jsou to nevirtuální kvarkové komponenty hadronu. Mořské kvarky – virtuální částice, které vznikají uvnitř hadronu při fluktuaci gluonu barevného pole na pár kvark a antikvark. Následná anihilace dvou mořských kvarků opět vytvoří gluon. Výsledkem je konstantní vnitřní vývoj, který se označuje jako moře virtuálních kvarků. Radiální excitace – stav, v němž má částice (rezonance) vyšší hlavní kvantové číslo než v základním stavu a přitom má stejná ostatní kvantová čísla, včetně vnitřního spinového a orbitálního momentu hybnosti. Například ψ(2S) je radiální excitací částice J/ψ. OZI pravidlo – vysvětluje, proč se některé kanály rozpadu částic objevují méně často, než by se dalo očekávat. Pravidlo říká, že když je možné Feynmanův diagram rozdělit odstraněním linek gluonů na alespoň dvě části, pak je tento fyzikální kanál potlačen. Pravidlo OZI je důsledkem vlastností kvantové chromodynamiky. Je pojmenované podle jeho tvůrců (Susumu Okubo, George Zweig a Jugoro Iizuka), kteří ho nezávisle navrhli v šedesátých letech 20. století. Invariantní hmotnost – klidová hmotnost, hmotnost částice v klidové soustavě částice. V obecné vztažné soustavě je invariantní hmotnost dána velikostí čtyřvektoru energie a hybnosti částice.

Hledání mnohakvarkových stavů složených jenom z lehkých kvarků (u, d, s) probíhá 50 let, ale zatím žádné přesvědčivé experimentální pozorování neproběhlo. V doméně těžkých kvarků (c, b) se situace změnila v první dekádě 21. století díky experimentům studujícím narušení CP symetrie na velkém statistickém vzorku B hadronů (obsahují b kvark) v tzv. B-továrnách. Příhodné podmínky pro měření spekter těžkých hadronů umožnily aparatury, které jsou schopné zrekonstruovat s vysokou přesností částice zrozené při velkém množství rozpadů. Právě tam byly v posledních letech pozorovány nové vázané kvarkové stavy, pravděpodobně složené z qqqq – tzv. tetrakvarky a qqqqq – nazývané pentakvarky. Jejich pozorování v přírodě není žádnou převratnou novinkou, existence tertakvarků a pentakvarků byla předpovězena už v článku, v němž byla postulována existence samotných kvarků [3], [4].

Experimenty na LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. poskytují díky vysoké energii srážejících se protonůProton – 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. vhodné podmínky pro vytváření částic obsahujících bottom kvarky. K jejich studiu byl primárně navržen a postaven experiment LHCbLHCb – Large Hadron Collider beauty, multifunkční detektor pro LHC, na kterém je sledováno narušení CP symetrie a jsou zkoumány hadrony obsahující kvark b. (viz AB 25/2013 a AB 27/2006). Tento detektor nemá plné prostorové pokrytí do všech směrů, jako mají detektory ATLASATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který je mj. schopen detekovat Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T. a CMSCMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice., ale je schopen detekovat jen částice vycházející z protonových svazků pod malým úhlem v přední oblasti, kde je produkováno nejvíce B hadronů. Je postaven ze subdetektorů, jež umožňují nejenom přesné měření hybnosti částic vylétajících z interakčního vertexu (místa interaxe), ale je také schopen je identifikovat pomocí Čerenkovova detektoruČerenkovův detektor – detektor částic využívající kužele Čerenkovova záření za nabitou částicí pohybující se v daném prostředí nadsvětelnou rychlostí. Bývá součástí detektorů na velkých urychlovačích. Často se využívá k detekci elektronů nebo mionů v podzemních nádržích naplněných vodou. Stěny nádrží jsou pokryty fotonásobiči detekujícími světelný kužel. Jinou variantou jsou aerogelové Čerenkovovy detektory umísťované na sondách. Dalším typem detektoru je speciální pozemský dalekohled, který sleduje Čerenkovovo záření vznikající v atmosféře ze sekundárních spršek kosmického záření. RICH. Tyto vlastnosti předurčují LHCb ke zkoumání lehkých rezonancí.

Tetrakvarky

V roce 2003 bylo ohlášeno pozorování nové, předtím nepozorované částice na experimentu BelleBelle – jeden z experimentů v japonské laboratoři KEK. Jde o sledování narušení CP invariance na kolideru KEK B factory.. Částice byla nazvána X(3872) [5], kde X je dočasné označení, které se změní, až bude tento stav prozkoumán a zařazen do nové kategorie. Byla pozorována u rozpadů B mezonů v rozpadovém kanálu B^± → K^±J/Ψ π⁺π⁻, kde se X(3872) rozpadá na J/? a dva nabité pionyPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d..

V experimentech CDFCDF – Collider Detector at Fermilab, jeden ze dvou velkých detektorů na urychlovači Tevatron. CDF měl tvar krychle o hraně 12 m a vážil 6 000 tun. Více než 500 fyziků pracovalo na detektoru, kde byly objeveny kvarky „b“ (bottom) a „t“ (top). Dobíhajícím projektem je intenzívní hledání Higgsova bosonu v již nasbíraných datech. Brzy ho ale v množství nasbíraných dat předběhnou experimenty na urychlovači LHC. a D0D-Zero – D0, DØ, DZERO, jeden ze dvou velkých detektorů na urychlovači Tevatron. D0 pracoval již od roku 1992 a zaměstnával přibližně 550 vědců z osmnácti zemí světa. Detektor měl rozměry 9×9×15 m a vážil kolem 5 000 tun. Mezi největší objevy patří objev „b“ (bottom) kvarku, „t“ (top) kvarku a exotických baryonů Ξ_b a částice Ω_b. V posledních letech se na Tevatronu zkoumalo narušení CP symetrie. Pomocí dat z D0 byl výrazně omezen rozsah možných hmotností Higgsovy částice. na TevatronuTevatron – synchrotron postavený ve Fermilabu v Batávii, ve státě Illinois. Do zprovoznění LHC v CERN šlo o největší urychlovač tohoto typu na světě, protony a antiprotony byl schopen v  prstenci o obvodu 6,3 km urychlit až na energii 1 TeV. Šlo o kolider, jehož vstřícné svazky měly v těžišťové soustavě energii 1,96 TeV. Tevatron byl dostaven v roce 1983 a stál 120 milionů USD. Další velkou investicí byl hlavní injektor za 290 milionů USD přidaný v letech 1994 až 1999. Provoz Tevatronu byl ukončen v roce 2011. a později CMSCMS – Compact Muon Solenoid. Víceúčelový detektor vybudovaný v CERN pro urychlovač LHC, vážící 12 500 tun, který je schopen mj. detekovat Higgsovy částice. a LHCbLHCb – Large Hadron Collider beauty, multifunkční detektor pro LHC, na kterém je sledováno narušení CP symetrie a jsou zkoumány hadrony obsahující kvark b. na LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. byl změřen [6] kvantový stav rezonance X(3872). Ukázalo se, že jde o stav J ^PC = 1++. Díky elektrické neutralitě se nabízí vysvětlení, že jde o jednu z excitací charmonia, přesneji ?_c1(2P) stav. To však nezapadá do kvarkového modelu pro nekompatibilní kvantová čísla a pozorovaný rozpadový kanál. Další možné vysvětlení nabízí příliš častý rozpad této rezonance na D^*0D⁰, který implikuje, že se jedná o hadronovou molekulu dvou neutrálních D mezonů s malou vazebnou energií – menší než 1 MeV. O existenci rezonance X(3872) dnes není pochyb, byla pozorována nezávisle na mnoha částicových experimentech a probíhá hlubší zkoumání jejích vlastností, které může pomoci rozuzlit hlavolam, který svou existencí vytváří.

V roce 2007 ohlásil tým experimentu BelleBelle – jeden z experimentů v japonské laboratoři KEK. Jde o sledování narušení CP invariance na kolideru KEK B factory. existenci dalšího podivného stavu označeného Z(4430)⁻. V roce 2014 byl tento stav také pozorován na experimentu LHCb v kanálu rozpadu B mezonů B → K Ψ(2S) π⁺ na excitovaný stav cc, kaonKaon – mezon K, částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením. a nabitý pionPion – mezon π, částice s nulovým spinem složená z kvarků u a d. [7]. Rozpadový kanál nově objevené rezonance napovídá, že stav bude obsahovat vázané kvarky cc. Vzhledem k tomu, že rezonance je elektricky nabitá, bude obsahovat alespoň další dva kvarky (díky přítomnosti nabitého pionu v rozpadu). Předpokládá se tudíž, že obsahuje valenční kvarky ccdu. Z(4430)⁻ je prvním kandidátem na tetrakvark, u kterého nejsou závažné pochybnosti o povaze částice. Kandidát má kvantová čísla J ^P = 1+.

Pentakvarky

První pozorování exotických pentakvarků bylo oznámeno v roce 2003 na zařízení 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. [8], avšak částice nazvaná ?+(1540) nebyla pozorována v žádném jiném experimentu. Následovalo několik dalších ohlášených objevů, a protože se výsledky nepodařilo zopakovat na jiných aparaturách, nebyly tyto objevy akceptovány vědeckou komunitou.

V roce 2015 bylo ohlášeno na experimentu LHCb pozorování nové rezonance v kanálu Λ_b0 → J/Ψ K− p, kde se těžký baryon lambda (ubd) rozpadne na nabitý kaonKaon – mezon K, částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením., proton a rezonanci J/?, viz Obr. 4. Nová rezonance byla pozorována v kanálu obsahujícím částice J/? a proton, tudíž se očekává kvarkové složení P_c = |ccuud> [9]. Nově objevený vázaný stav byl rozlišen jako dvě rezonance, první s klidovou hmotností 4380±37 MeV a druhá s hmotností 4449,8±4,2 MeV. Graf invariantní hmotnosti nově pozorovaných stavů je znázorněn na Obr. 5 vpravo. Z měření vyšla kvantová čísla J ^P = 3/2– pro P_c(4380) a 5/2+ pro P_c(4450).

Obr. 4: Feynmanův diagram znázorňující vznik pentakvarku P_c+ v rozpadech ?_b0. Pentakvark P_c+ je nestabilní a dále se rozpadá na částici J/? a proton.

Obr. 5: Rozdělení invariantní hmotnosti systému J/? a protonu. a) Červená křivka ukazuje očekávané rozdělení v případě, že rezonance P_c+ neexistuje, černé tečky odpovídají experimentálním datům, kde je kolem hodnoty 4,4 GeV patrný přebytek událostí nad očekávaným pozadím implikující pozorování nové částice. b) Předpověď rozdělení po započtení všech známých rezonancí (označených lambda) a dvou nových stavů P_c.

Strukturní hypotézy

Pro pochopení vnitřní struktury a dynamiky těchto stavů je třeba další hlubší studium. Zúčastněné kvarky nemusí být v exotických hadronech vázány triviálním způsobem. Na Obr. 6 jsou uvedeny čtyři nejčastěji uváděné možnosti, jakým způsobem jsou kvarky vázány uvnitř tetrakvarků a pentakvarků. Tetrakvarky obsahují dva valenční kvarky a dva antikvarky. Není však jasné, jakým způsobem se zůčastněné kvarky kombinují do výsledného bezbarvého stavu. Za nejpravděpodobnější jsou považovány tzv. dikvarky a molekulární vázané stavy.

Dikvarky jsou barevné objekty, a proto nemohou existovat jako samostatné částice. Mohou se ale volně pohybovat uvnitř hadronu, se kterým mají srovnatelný rozměr. V jisté analogii to jsou Cooperovy páryCooperův pár – vázaný pár fermionů (elektronů, neutronů či protonů) s boso­novými projevy. V případě elektronů vede na supravodivé vlastnosti některých materiálů za nízkých teplot. U nukleonů je vazba velmi silná a jedná se o klíčový proces zodpovědný za mnoho vlastností atomových jader. barevné supravodivosti. Síla mezi kvarky v dikvarku může být přitažlivá, pokud jsou barva a spin složek antisymetrické. Pak dikvarky neutralizují svou barvu s antibarvou anti-dikvarku a výsledný hadron je bezbarvý.

Na druhou stranu molekulární vázaný stav sestává ze dvou mezonů (tetrakvark) nebo mezonu a baryonu (pentakvark). Tyto uvnitř vázané hadrony spolu interagují prostřednictvím pole virtuálních Yukawových částic – pionů a jiných lehkých mezonů. Jsou jen velice slabě vázané, proto se hadronické molekuly rozpadají hlavně na zúčastněné hadrony. Podobnou strukturou je deuterium, v němž je vázaný stav neutronu a protonu. Očekává se, že případný vázaný stav dvou mezonů má vazebnou energii podstatně nižší než 100 MeV.

Obr. 6.: Několik hypotéz pro konfiguraci kvarkových stavů uvnitř pozorovaných tetrakvarků a pentakvarků. Q označuje těžký kvark (c,b), q lehký kvark (u,d,s). a) Kompaktní mnohokvarkový stav vázaný silnou interakcí obdobným způsobem jako v klasických hadronech. b) Vázaný stav dikvarků, dikvarky interagují mezi sebou prostřednictvím gluonů. c) Hadro-charmonium je hadronický objekt který obsahuje v jádře vázaný stav cc a haló lehkých kvarků nebo mezonů. Uprostřed oblaku lehkých kvarků je kompaktní bezbarvé charmonium. Interakce mezi jádrem a obálkou probíhá pomocí QCD analogie van der Waalsových sil. d) Molekulární stavy, kde pár těžkých mezonů (nebo mezon a baryon) interagují podobně jako nukleony prostřednictvím výměny virtuálních lehkých mezonů.

Závěr

Kvarky mají baryonové číslo 1/3, antikvarky –1/3. Pentakvark je složen ze čtyř kvarků a jednoho antikvarku, tudíž jeho baryonové číslo je +1, stejně jako u baryonů. Tetrakvarky pak mají stejné baryonové číslo 0 jako mezony. Z tohoto důvodu se dá očekávat, že v budoucnosti se rozšíří definice baryonů na B = |qqq> + |qqqqq> + … a mezonů na M = |qq> + |qqqq> + …

Existence nových vázaných stavů má důležité místo v astrofyzikálních procesech, kde může docházet k tvorbě exotické hmoty. Existence tetrakvarků a pentakvarků je velice důležitá pro pochopení fyzikálních procesů v jádrech neutronových hvězdNeutronová hvězda – těleso tvořené degenerovaným neutronovým plynem o hmotnosti menší než přibližně 2,2 až 3 M_S (Tolmanova-Oppenheimerova-Volkoffova mez). Typický průměr neutronové hvězdy je v řádu desítek kilometrů, průměrná hustota 10¹⁷ kg m⁻³ dosahuje hodnot hustoty atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných červených veleobrů, při výbuchu supernovy typu II. Obrovský tlak způsobuje „vtlačení“ elektronů do protonů za vzniku neutronů a neutrin. Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech 20. století., zejména u hmotných jedinců kolabujících do černých děrČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují.. V prvním přiblížení je neutronová hvězda složená z neutronůNeutron – 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 se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 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., které se skládají ze tří valenčních kvarků n = |ddu>. V klasických modelech se tradičně uvažuje, že jaderné interakce v degenerované hvězdě probíhají na úrovni neutronů. Díky existenci tetrakvarků a pentakvarků jsou možné i jiné způsoby interakce, neutrony v jádře degenerované hvězdy mohou za extrémních podmínek interagovat silně a vytvořit nejenom tetrakvarky, ale také pentakvarky. Mohou také vznikat další, zatím neznámé kvarkové konfigurace typu hexakvarku, nebo dokonce mohou kvarky interagovat individuálně – bez toho, aby byly vázané v barevně neutrální částici. Pak by se jednalo o tzv. kvarkové hvězdy.

Fyzikální kampaň Run I urychlovače LHC a jeho detektorů v letech 2010–2012 přinesla pozorování a potvrzení existence tetrakvarků a pentakvarků, které tímto vstoupily do mainstreamu částicové fyziky. Studium exotických stavů intenzivně pokračuje i v nové fyzikální kampani LHC Run II, která započala v roce 2015, a je jisté, že se dočkáme dalších překvapení.

Konec

Odkazy