kvarkit

Tutkimus tehtiin kvanttiväridynamiikkaan perustavalla simulaatiolla, jota pyöritettiin maailman tehokkaimpiin lukeutuvassa K-supertietokoneessa. Asialla olivat japanilaisen RIKEN-tutkimuskeskuksen ja useiden yliopistojen tutkijat.

Kyseessä ei siis ole varsinainen löytö, koska kuudesta kvarkista muodostuvaa "dibaryonia" ei ole havaittu. Sellaisia saattaa kuitenkin esiintyä äärimmäisissä olosuhteissa kuten neutronitähtien sisuksissa tai saattoi esiintyä hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa pian alkuräjähdyksen jälkeen.

Periaatteessa yksi dibaryoni tunnetaan jo entuudestaan: deuteroni eli deuteriumin, raskaan vedyn ydin, joka rakentuu kahdesta baryonista, protonista ja neutronista. Siltä pohjalta tutkijat ovat pohtineet, voisiko vastaavanlaisia tuplahiukkasia olla muitakin.

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

Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen valtavalla LHC-kiihdyttimellä on vihdoin bongattu hiukkanen, jonka olemassaolo ennustettiin jo 1960-luvulla. 

Fyysikko Murray Gell-Mann esitti vuonna 1964 sittemmin Nobel-palkinnon arvoiseksi todetun mallin, jonka mukaan hiukkaset rakentuvat joko kolmesta kvarkista tai kvarkki-antikvarkkiparista. 

Myös neljän kvarkin ja yhden antikvarkin muodostama ”pentakvarkki” on mahdollinen, mutta siitä ei ollut minkäänlaisia havaintoja. Omituinen hiukkanen pysyi pitkään teoreettisena otuksena, mutta nyt se on vihdoin onnistuttu havaitsemaan.

Kaikki aine koostuu hiukkasista. Vaikka "atomi" tulee muinaiskreikan kielen sanasta atomos eli jakamaton, atomien on jo pitkään tiedetty rakentuvan protoneista, neutroneista ja elektroneista.

Protonit ja neutronit puolestaan ovat kolmen kvarkin muodostamia baryoneja. Kun otetaan mukaan kvarkki-antikvarkkiparista koostuvat mesonit, saadaan aikaiseksi hadronit eli hiukkaset, jotka rakentuvat vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkasten eli gluonien toisiinsa liittämistä kvarkeista.   

Sekavaa? Ei oikeastaan, mutta entä jos kuvitellaan baryonien ja mesonien lisäksi hadroni, jossa onkin kahden tai kolmen sijasta neljä kvarkkia? Enää moista ei tarvitse kuvitella, sillä sellainen on löydetty.

Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERNin LHC-kiihdyttimen seitsemästä koeasemasta yksi on LHCb (Large Hadron Collider beauty), jolla tutkitaan erityisesti b-kvarkkeja. Nyt tehtyjen mittausten tuloksena on saatu varmistettua, että omituinen hiukkanen on todella olemassa.

"Olemme tehneet kiistattoman havainnon hyvin eksoottisesta hiukkasesta, joka koostuu kahdesta kvarkista ja kahdesta antikvarkista", toteaa tutkimusta johtanut Tomasz Skwarnicki. ”Se ei sovi alkuunkaan perinteiseen kvarkkimalliin, joten joudumme tarkastelemaan uudella tavalla vahvaan vuorovaikutukseen liittyvää fysiikkaa.”

Uuden hiukkasen olemassaolosta saatiin viitteitä jo vuonna 2007, kun 400 tutkijan kansainvälinen ryhmä "löysi" eksoottisen hiukkasen, jolle annettiin nimeksi Z(4430). Löytöön suhtauduttiin suurella varauksella eikä hiukkasta pidetty todellisena. Myöhemmin toisessa kokeessa saatiin tuloksia, joiden mukaan uuden hiukkasen olemassaolo ei ole tarpeen – toisin sanoen teoria ei sellaista edellyttänyt.

"Analysoimme kymmeniätuhansia mesonin hajoamisia, jotka oli valikoitu triljoonista LHC-kiihdyttimessä tapahtuneista törmäyksistä”, kertoo CERNissä työskentelevä Sheldon Stone Syracusen yliopistosta. ”Datan suuren määrän takia jouduimme käyttämään tilastollista analyysia, mutta lopulta pystyimme todistamaan pitkään uumoillun hiukkasen olemassaolon.”

Nyt hiukkanen – Z(4430) – on todettu todelliseksi ja se saattaa edellyttää uudenlaista teoriaa tai ainakin vanhan muokkaamista.