Objev hybridního mezonu

Petr Kulhánek, 27. června 2005

Jednou z největších rodin částic jsou 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., elementární částice složené z 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 down a up, druhou kvarky strange a charm a třetí kvarky beauty a truth.. Až donedávna se fyzikové domnívali, že mohou existovat jen dvě varianty těchto částic: 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., které jsou tvořeny kvarkem a antikvarkem a 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. , které jsou tvořeny třemi kvarky. Jak mezony, tak baryony jsou dobře prozkoumané částice a hojně se nacházejí v přírodě. Teorie v principu nezakazuje jiné kombinace 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 down a up, druhou kvarky strange a charm a třetí kvarky beauty a truth., ale zdálo se, že se v přírodě nevyskytují. V posledních letech však tuto představu narušilo několik významných objevů. V Jeffersonově laboratoři (a dalších) byla v roce 2003 objevena částice Θ⁺(1540), která je pravděpodobně složena z pěti 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 down a up, druhou kvarky strange a charm a třetí kvarky beauty a truth. (uddus', tzv. pentakvark). V témže roce bylo objeveno v japonské laboratoři KEKKEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačm je KEKB 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. dvojité charmonium X(3872) složené ze dvou kvarků a dvou antikvarků (cc'cc', tzv. tetrakvark). Obdobnou částicí bude pravděpodobně i Ds(2317), (ds'qq', tzv. tetrakvark). Posledním objevem je nález hybridního mezonu Y(3940) složeného z kvarku c, antikvarku c' a gluonuGluony – intermediální částice silné interakce. Působí jen na hadrony. Jde o sílu, která spojuje kvarky v mezony a baryony. Sílu, která udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a sílu, způsobující některé rychlé rozpady elementárních částic. Silná interakce má krátký dosah srovnatelný s rozměry atomového jádra. Známe celkem 8 gluonů. , který ohlásila japonská laboratoř KEKKEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačm je KEKB 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 květnu 2005. Čísla v závorkách znamenají hmotnost částice vyjádřenou v MegaelektronvoltechElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV) nebo teraelektronvolt TeV (10¹² eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=kT)..

Hybridní mezon Y(3940)

Vázaný stav kvarkuKvarky – 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 down a up, druhou kvarky strange a charm a třetí kvarky beauty a truth. c a antikvarku c' (tzv. charmonium J/ψ) byl objeven dvěma nezávislými skupinami v roce 1974. Částici J nalezla skupina vedená Samuelem Tingem na protonovém urychlovači v Brookhavenu v experimentech s pevným terčem a stejnou částici pod názvem ψ nalezla skupina vedená Burtonem Richterem na kolideruKolider – urychlovač, ve kterém jsou dva urychlené svazky částic nasměrovány proti sobě. Jiným užívaným systémem je namíření svazku na nepohyblivý terč. SPEAR ve Stanfordu (objev vešel do dějin jako listopadová J/ψ revoluce a byla za něj udělena Nobelova cena za fyziku pro rok 1976). V roce 1978 byla předpovězena existence dalšího vázaného stavu charmonia, ve kterém je navíc obsažen jeden gluonGluony – intermediální částice silné interakce. Působí jen na hadrony. Jde o sílu, která spojuje kvarky v mezony a baryony. Sílu, která udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a sílu, způsobující některé rychlé rozpady elementárních částic. Silná interakce má krátký dosah srovnatelný s rozměry atomového jádra. Známe celkem 8 gluonů. . Tento hybridní mezon byl pravděpodobně nalezen právě nyní.

Standardní a nestandardní mezony

Objev hybridního mezonu oznámila skupina BelleBelle – jeden z experimentů v japonské laboratoři KEK. Jde o sledování narušení CP invariance na kolideru KEK B factory. japonské Národní laboratoře pro vysoké energie KEKKEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačm je KEKB 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.. Vědci objevili při anihilaci elektronů s pozitrony na kolideruKolider – urychlovač, ve kterém jsou dva urychlené svazky částic nasměrovány proti sobě. Jiným užívaným systémem je namíření svazku na nepohyblivý terč. KEKB nový stav charmonia X(3940), který se rychle rozpadal na dobře prozkoumané částice Ω a J/ψ. Řada měřených parametrů podporuje hypotézu, že jde o hybridní mezon, ve kterém se kromě kvarkuKvarky – 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 down a up, druhou kvarky strange a charm a třetí kvarky beauty a truth. a antikvarku ještě nachází gluonGluony – intermediální částice silné interakce. Působí jen na hadrony. Jde o sílu, která spojuje kvarky v mezony a baryony. Sílu, která udržuje pohromadě neutrony a protony v atomovém jádře a sílu, způsobující některé rychlé rozpady elementárních částic. Silná interakce má krátký dosah srovnatelný s rozměry atomového jádra. Známe celkem 8 gluonů. . Jediným problémem je hmotnost nové částice, která je o něco nižší než teoretická předpověď a zhruba odpovídá hmotnosti atomu hélia. Proto bude před definitivním verdiktem nutné podrobnější zkoumání objevené částice ve více nezávislých laboratořích.

Japonská laboratoř KEKKEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačm je KEKB 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.. Patrný je prstenec kolideruKolider – urychlovač, ve kterém jsou dva urychlené svazky částic nasměrovány proti sobě. Jiným užívaným systémem je namíření svazku na nepohyblivý terč. KEKB s obvodem 3 km.

Bonus: Animace „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: video „Galactic Odyssey“, 1995. NCSA, NHK.

Odkazy