La conferinţa de la Venezia (Italia) a Societăţii Europene de Fizică a fost anunţată descoperirea unei noi particule compuse din trei quarcuri: doi dintre aceştia sunt quarcuri de tipul “charm”, mult mai grei decât quarcurile “up” şi “down” care compun protonii şi neutronii. Denumită particula Xi, nouă particulă ne va ajuta să înţelegem mai bine forţa nucleară tare şi rolul acesteia în Univers.

La exact cinci ani de când a fost anunţată descoperirea bosonului Higgs, cel care ne ajută să înţelegem cum obţin particulele masa, o nouă descoperire, particula Xi, a fost recent anunţată de către cercetătorii colaborării LHCb. Rezultatele urmează să fie publicate în Physical Review Letters.

LHCb este un numele unui experiment aflat în derulare la Marele Accelerator de Particule de la Geneva (Large Hadron Collider – LHC) care are ca obiectiv principal să studieze diferenţele între materie şi antimaterie, adică între comportamentul particulelor şi al antiparticulelor de un anumit fel. LHCb însă a realizat multe alte descoperiri, printre care şi cea a barionului Xi.

Ce anume este un barion? Protonii şi neutronii sunt exemple de barioni, adică de particule compuse din trei quarcuri. Quarcurile sunt particule elementare din cadrul aşa-numitului model standard al fizicii particulelor elementare, care conţine şase tipuri de quarcuri: up, down, charm, strange, top şi bottom. Ultimul dintre aceştia (top) a fost descoperit către sfârşitul secolului trecut.

Protonii şi neutronii sunt compuşi din quarcuri up şi down (protonul conţine două quarcuri up şi unul down, iar neutronul două quarcuri down şi unul up). Quarcurile sunt legaţi în cadrul barionilor de către forţa nucleară tare, care are ca mediator al interacţiunii aşa-numiţii “gluoni”, ce funcţionează ca un fel de lipici ce ţine quarcurile împreună.

Nouă particulă descoperită de cercetătorii de la LHCb conţine două quarcuri de tip charm şi unul up. Quarcurile de tip charm sunt mult mai grele decât up şi down. Xi este prima particulă descoperită până acum care conţine două quarcuri de tip charm. Masa acestei particule este de circa 3,6 GeV, fiind de aproape patru ori mai grea decât protonul.

Forţa nucleară tare nu este încă pe deplin înţeleasă: ştim că quarcurile sunt “prizonieri” în barioni şi că nu există quarcuri liberi în Univers. Se crede că imediat după Big Bang toate particulele, inclusiv quarcurile, nu erau încă legate în particulele de astăzi (neutroni, protoni),  ci formau un fel de plasmă de quarcuri şi gluoni.

Cum putem să ne imaginăm particula Xi? Cercetătorii de la LHCb ne sugerează un model asemănător cu un sistem planetar care conţine două stele ce orbitează una în jurul celeilalte (quarcurile charm) şi cu o planetă (quarcul up) care, la rândul ei, orbitează în jurul celor două stele. Evident că în lumea particulelor, unde legile mecanicii cuantice îşi spun cuvântul, această imagine este doar o aproximaţie, care nu are mult de-a face cu ceea ce se întâmplă în realitate.

Nouă particulă, Xi, este deosebit de instabilă: practic se dezintegrează în circa a mia parte dintr-a miliarda parte dintr-o secundă! O viaţă cu adevărat extrem de scurtă. Se crede că astfel de particule ar putea lua naştere nu doar la acceleratorul de la Geneva, în urma ciocnirii între protonii de energie foarte mare care circulă acolo, ci şi în urma interacţiunii razelor cosmice cu nucleele atomilor din atmosferă. Protoni cu energie extrem de mare care sunt generaţi în exploziile supernovelor ar putea ajunge până la noi şi da naştere inclusiv la particule Xi în atmosferă.

În prezent cercetătorii sunt pe urmele unor particule şi mai exotice decât Xi: cele care conţin pe lângă doi quarcuri charm un quark de tip strange, de exemplu.

Studiul acestor particule ne va ajuta să înţelegem mai bine cum gluonii reuşesc să ţină quarcurile împreună în nucleele atomilor şi care este rolul interacţiunii nucleare tari în Univers.