Protoneja ja uusia hiukkasia

Kvarkkisyrjintää kvanttimaailmassa

Vaikka kreikkalaiset pitivät atomeja jakamattomina – sitä tarkoittavasta kreikankielisestä sanasta atomos aineen osaset ovat saaneet nimensä – ne voidaan särkeä protoneiksi, neutroneiksi ja elektroneiksi. 

Protonit koostuvat edelleen kvarkeista, kahdesta ylös- ja yhdestä alas-kvarkista, joita vahva voima pitää koossa. Voima on itse asiassa niin vahva, ettei kvarkkeja voi esiintyä vapaina hiukkasia, vaan ne ovat aina erilaisina yhdistelminä kytköksissä toisiinsa.

Pommittamalla protoneja hiukkaskiihdyttimessä elektronisuihkulla voidaan kuitenkin luoda uusia kvarkkien muodostamia hiukkasia. Uudet hiukkaset eivät synny tyhjästä vaan energiasta, joka on peräisin vinhasti liikkuvilta elektroneilta.

Tutkijat ovat havainneet, että vaikka energia riittäisi yhtä lailla ylös-, alas- kuin niiden jälkeen yleisimmän, raskaamman outokvarkin ja kutakin vastaavan antikvarkin muodostamiseen, uudet hiukkaset rakentuvat yleensä protonista tutuista kvarkeista.

Outo-kvarkin kokema syrjintä on todettu jo aikaisemmin hyvin suurilla energioilla tehdyissä hiukkaskokeissa esimerkiksi Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen CERNin LHC-kiihdyttimellä (Large Hadron Collider). Nyt ilmiö saatiin havaittua ensimmäisen kerran yksittäiselle kvarkkiparille.

Kokeessa 5,5 gigaelektronivoltin elektronisuihku kohdistettiin nestemäiseen vetyyn, jonka atomiytimenä on yksittäinen protoni. Kvarkkien muodostama positiivisesti varautunut hiukkanen rekisteröitiin CEBAF-kiihdyttimen (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) LAS-spektrometrillä (Large Acceptance Spectrometer). Törmäyksessä syntynyt varaukseton hiukkanen puolestaan pystyttiin tunnistamaan ”puuttuvan” massansa perusteella.

Ankaran iskun saaneesta protonista saattoi syntyä varaukseton pioni (ylös- ja anti-ylös-kvarkki), neutroni ja positiivinen pioni (alas- ja anti-alas-kvarkki) tai kuvan mukaisesti lambda-hiukkanen ja kaoni (outo- ja anti-outo-kvarkki).

Pioneja todettiin muodostuvan kolme kertaa useammin kuin kaoneja, mikä on yhteensopiva tulos suuremmilla energioilla tehtyjen törmäyskokeiden kanssa. 

Tutkimuksesta kerrottiin Yhdysvaltain energiaministeriön uutissivulla ja se on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Jefferson Lab

 


Juttuja samasta aiheesta