Tetrakvark opět na scéně

Kvarky patří k základním stavebním kamenům hmoty, z nichž jsou složeny například neutrony a protony, částice atomového jádra. Kvarky se pomocí gluonového pojiva skládají do větších celků, zpravidla do dvojic a do trojic. Čtveřice nebo pětice vázaných kvarků (tertrakvarky a pentakvarky) jsou velmi vzácné. Dokážeme je tu a tam připravit uměle, a pokud se něco takového podaří, vždy jde o velmi významný objev, který umožňuje lépe chápat chování silné interakce. Objev dalšího tetrakvarku byl oznámen v únoru 2016 týmem Američanů, kteří zpracovávali starší data z detektoru D0 (byl součástí urychlovače Tevatron, který Američané uzavřeli v roce 2011). Nový objev tak ukazuje, že Tevatron, přestože je již pět let nečinný, může stále výraznou měrou ovlivnit částicovou fyziku. Navíc je nový tetrakvark odlišný od všech dosud objevených tetrakvarků (v jejich struktuře byly zatím vždy zabudovány kvark c a antikvark c). V novém tertakvarku se poprvé nacházejí čtyři různé kvarky, a tím je jeho objev ještě zajímavější.

Urychlovač Tevatron pracoval 28 roků a má za sebou řadu významných objevů. Nashromážděná data jsou zpracovávána dodnes. Urychlovač byl součástí gigantického komplexu laboratoří Fermilab a jeho činnost byla ukončena v roce 2011.

D0 (D Zero), jeden ze dvou velkých detektorů na urychlovači Tevatron. V datech z tohoto detektoru byl v roce 2016 nalezen další, poněkud atypický tetrakvark skládající se ze čtyř kvarků různých vůní. Zdroj: Fermilab.

Mezony a baryony

Na počátku šedesátých let 20. století byla známa řada elementárních částic. Některé z těchto částic tvořily jakési rodiny (dnes říkáme multiplety) příbuzných částic s podobnými vlastnostmi. V roce 1965 navrhl Murray-Gell-Mann (a nezávisle na něm George Zweig), že by se takové příbuzenské vztahy daly vysvětlit, pokud by částice v těchto rodinách byly složené ze základnějších částic, kterým dal názevkvarky. Za definitivní potvrzení jeho hypotézy lze považovat experimenty z roku 1968, které proběhly ve Stanfordském urychlovačovém centru SLAC, kde při hlubokém nepružném rozptylu elektronů na protonech byla uvnitř protonu patrná tři bodová centra, a ukázalo se, že proton není skutečnou elementární částicí.

Kvarky spojuje do větších celků silná interakce, jejími polními částicemi jsou gluony (z anglicekého glue, což znamená lepit, pojit dohromady). Kvarky patří k fermionům, pro které platí tzv. Pauliho vylučovací princip, což znamená, že se dva kvarky nemohou nacházet ve stejném kvantovém stavu. Přesto byla na detektoru D0 nalezena částice Ω−, která obsahuje tři kvarky v základním stavu. Tyto kvarky se musí nějak od sebe lišit, musí existovat nějaká kvantová vlastnost, která je odlišuje. Tato vlastnost byla nazvána barva – hovoříme o tom, že kvarky mají tzv. barevný náboj. Nejde o skutečnou barvu, ale jen o kvantové číslo. Barevné náboje je výhodné pojmenovat R (červený), G (zelený) a B (modrý). Kvarky se pak do částic kombinují tak, aby byl výsledný barevný náboj nulový. Jakoukoli částici složenou z kvarků nazýváme hadron. Dvě možnosti jsou nejčastější: První z nich je trojice kvarků s barvami R, G a B (červená, modrá a zelená) – tyto barvy dají na monitoru dohromady bílou. Druhou možností je vázaný stav kvarku a antikvarku (například modrého a antimodrého), výsledkem je opět nebarevná kombinace (nulový barevný náboj). Trojici vázaných kvarků nazýváme baryon (mezi takové částice patří například neutron a proton), dvojici kvarku a antikvarku nazýváme mezon (sem patří například piony nebo kaony).

Umělecká představa neutronu a protou. Uvnitř těchto částic jsou uvězněny tři kvarky. 
Zdroj: Fermilab.

Větší celky

Teorie silné interakce v principu nezakazuje ani vetší celky. Čtveřici vázaných kvarků nazýváme tetrakvark a pětici pentakvark. V tetrakvarku musí být dva kvarky a dva antikvarky, jiným způsobem není možné vykompenzovat barevný náboj na nulu. Tetrakvark lze vytvořit dvojím způsobem. Buď jde o dvě dvojice vázaných kvarků (každá z dvojic je vlastně samostatným mezonem, vázaným stavem kvarku a antikvarku). Takové uspořádání poněkud připomíná dvouatomární molekulu, jen roli atomů zde hrají mezony. Vazba mezi dvojicemi je při tomto uspořádání slabší než vazba uvnitř dvojice. Druhou možností je plnohodnotná čtveřice kvarků se stejně silnými vazbami mezi jednotlivými kvarky. U pentakvarku je to obdobné. Mělo by jít o pětici kvarků s výsledným nulovým barevným nábojem. Vnitřní uspořádání buď připomíná baryon (trojici) vázaný s mezonem (dvojicí), nebo rovnoprávně vázanou pětici kvarků.

První tetrakvark byl objevený v experimentu BELLE v roce 2007  na japonském urychlovači KEKB (viz AB 45/2007). Částice získala označení Z(4430), má hmotnost 4 430 MeV a je složená ze čtyř kvarků: c, c, u, d. Pruh nad označením kvarku znamená antičástici. Výsledná kombinace je nabitá, proto ji lze snadno odlišit od excitovaného stavu charmonia, vázaného stavu cc, v němž se při excitaci objevuje pár uu. Objev byl v roce 2014 nezávisle potvrzen na detektoru LHCb největšího urychlovače světa LHC. Veškeré náznaky existence pentakvarků jsou zatím diskutabilní, i když získaná data mnohdy uspořádání kvarků do formace pentakvarku naznačují.

Tetrakvark Z(4430) byl nalezen při rozpadu b kvarku v detektoru BELLE na elektron pozitronovém kolideru KEKB. Částice se rozpadá na obyčejný pí mezon a částici ψ′ (první excitovaný stav charmonia cc). Zdroj: KEKB.

Zbrusu nový tetrakvark

Vlastnosti silné interakce nejsou stále známy s dostatečnou přesností. Na vině je především fakt, že silná interakce neklesá se zmenšující se energií částic, což komplikuje hledání řešení pomocí poruchového počtu (při nižších energiích se řešení hledá jako malá porucha) a ztěžuje provádění numerických simulací. Proto je objev každého atypicky vázaného útvaru, například tetrakvarku, přijímán s velkou nadějí. Studium takových objektů umožňuje pochopit, jak vlastně silná interakce v přírodě funguje. A poslední objevený tetrakvark je opravdovou lahůdkou. Jak už bylo řečeno, jeho existence vyplynula z analýzy starších dat (z let 2002 až 2011) detektoru D0 na dnes již uzavřeném Tevatronu. Nová částice získala označení X(5568), což znamená, že její hmotnost je 5 568 MeV. A čím je tak zvláštní? Jde o první objevený tetrakvark, který obsahuje kvarky čtyř různých vůní. Dosavadní objevené tetrakvarky i všichni kandidáti na pentakvarky vždy obsahovaly kvarky cc, tedy jakoby v sobě měly charmonium (vázaný stav cc), kolem kterého jsou nějak navázány další kvarky. Nový tetrakvark je ale zcela jiný, obsahuje kvarky u, b, d, s. Jde o první objevenou částici tohoto druhu. Z dat detektoru D0 je patrné, že X(5568) vzniká při srážkách protonů a antiprotonů častěji, než by odpovídalo současné teorii silné interakce. Právě to dává velkou naději na zpřesnění našich představ o silné interakci. V současnosti je hledán výskyt této exotické částice také v datech z detektoru LHCb na urychlovači LHC. Pokud bude částice nalezena i zde, budou k dispozici data ze dvou nezávislých zdrojů, což umožní nezávislé analýzy chování silné interakce v nové částici.

Hmotnostní spektrum rozpadu tetrakvarku X(5568) na B0s a nabitý pion π±.
Čárkovaná čára reprezentuje pozadí. Zdroj: Fermilab/D0.

Umělecká představa nového tetrakvarku, který se skládá ze čtyř různých kvarků.
Zdroj: VKinfo.

Odkazy