Pentakwark

Schemat budowy pentakwarka: trzy kwarki walencyjne mają kolory sumujące się do białego, a czwarty kwark ma kolor będący parą do antykoloru antykwarka (żółty reprezentuje tu kolor antyniebieski); linie faliste oznaczają gluony przenoszące oddziaływanie silne

Pentakwark – cząstka elementarna, hadron egzotyczny złożony z pięciu kwarków: czterech zwykłych i jednego antykwarka (lub odwrotnie). Przed eksperymentami potwierdzającymi z wysokim prawdopodobieństwem istnienie pentakwarków uznawano, że kwarki mogą występować jedynie trójkami (trzy kwarki lub trzy antykwarki) lub parami (jeden kwark i jeden antykwark).

W 2015 roku eksperyment LHCb z wysokim poziomem prawdopodobieństwa potwierdził istnienie pentakwarków.

Historia

Możliwość istnienia hadronów złożonych z więcej niż trzech kwarków dopuszczał w swoim modelu z 1964 roku Murray Gell-Mann[1]. W 1976 roku Robert Jaffe zaproponował ilościowy model cząstki złożonej z dwóch kwarków i dwóch antykwarków[2], w 1979 roku Daniel Strottman rozszerzył ten model o bariony złożone z czterech kwarków i jednego antykwarka[3]. Nazwę „pentakwark” wprowadził Harry Lipkin w 1987 roku[4].

Badania

W 2003 roku cztery zespoły fizyków opublikowały wyniki badań wskazujące na istnienie cząstki, którą nazwano pentakwarkiem teta plus (Θ+)[5]. Odkrycia tego dokonały zespoły Takashi Nakano oraz Kena Hicksa. Fizycy oświetlili promieniami gamma jądra atomów węgla[6], tworząc plazmę kwarkowo-gluonową, stan materii podobny do tego z pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu. W powstałym przy tym doświadczeniu pęku cząstek wykryto sygnał przypisany cząstce Θ+, o masie 1540 MeV/c2. Miała ona mieć dziwność +1 (czyli zawierać antykwark s), liczbę barionową +1 (czyli zawierać o 3 więcej kwarków niż antykwarków) i ładunek +1. Takie liczby kwantowe oznaczały, że musi ona składać się z pięciu kwarków: dwóch dolnych, dwóch górnych oraz antykwarka dziwnego (uudds). Jednakże wkrótce po opublikowaniu pracy Nakano około dziesięć innych zespołów opublikowało wyniki badań wskazujące, że pentakwark teta jednak nie istnieje[7].

W następnych latach pojawiły się również doniesienia o odkryciu innych stanów związanych utworzonych przez pięć kwarków: Φ(1860) (ssddu) i Θc(3100)0 (uuddc). Sygnały te były jednak mniej istotne statystycznie, nie zyskały też potwierdzenia w dalszych, niezależnych eksperymentach[7].

Naukowcy z Jefferson Lab przeprowadzili dalsze badania nad otrzymywaniem cząstek Θ+ z pięćdziesięciokrotnie wyższą precyzją, dowodząc że pentakwark nie pojawia się w jednym kanale reakcji[8]. Dalsze analizy wykluczyły również jego występowanie w kolejnych, tym samym przecząc odkryciu[9]. Prawdopodobnie pozytywny sygnał był efektem niedoszacowania wkładu tła[7].

Diagram Feynmana odpowiadający rozpadowi cząstki Λb do kaonu i pentakwarku

W 2015 roku eksperyment LHCb prowadzony w ośrodku naukowo-badawczym CERN wykazał z wysokim poziomem prawdopodobieństwa występowanie pentakwarków w reakcjach rozpadu barionów pięknych Λb. Cząstka Pc(4450)+ jest widoczna jako wyraźny wierzchołek w danych, a istnienie drugiej, Pc(4380)+, jest konieczne do pełnego opisu uzyskanych danych. Skład kwarkowy cząstek to uudcc[10].

Oprócz pentakwarków istnieją jeszcze inne stany związane składające się z 5 kwarków, na przykład Λ(1405), czyli stan związany nukleonu i antykaonu[11].

Przypisy

  1. ↑ M. Gell-Mann. A schematic model of baryons and mesons. „Physics Letters”. 8 (3), s. 214–215, 1964. DOI: 10.1016/S0031-9163(64)92001-3 (ang.). 
  2. ↑ R. J. Jaffe. Multiquark hadrons. I. Phenomenology of Q2Q2 mesons. „Physical Review D”. 15 (1), s. 267–280, 1977. DOI: 10.1103/PhysRevD.15.267 (ang.). 
  3. ↑ D. Strottman. Multiquark baryons and the MIT bag model. „Physical Review D”. 20 (3), s. 748–767, 1979. DOI: 10.1103/PhysRevD.20.748 (ang.). 
  4. ↑ Harry J. Lipkin. New possibilities for exotic hadrons — anticharmed strange baryons. „Physics Letters B”. 195 (3), s. 484–488, 1987. DOI: 10.1016/0370-2693(87)90055-4 (ang.). 
  5. ↑ Four labs find five-quark particle (ang.). CERN Courier, 2003-09-03. [dostęp 2014-04-13].
  6. ↑ Nakano, T., Ahn, D. S., Ahn, J. K., Akimune, H. i inni. Evidence for a narrow S=+ 1 baryon resonance in photoproduction from the neutron. „Physical Review Letters”. 91 (1), s. 012002, 2003. DOI: 10.1103/PhysRevLett.91.012002. 
  7. ↑ a b c W.-M. Yao et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics: Θ+. „Journal of Physics G”. 33, s. 1, 2006. DOI: 10.1088/0954-3899/33/1/001. Bibcode: 2006JPhG...33....1Y. 
  8. ↑ Is It or Isn't It? Pentaquark Debate Heats Up. Jefferson Lab, 2005-04-20. [dostęp 2014-04-13].
  9. ↑ Higher Precision Analysis Doesn't Yield Pentaquark. Jefferson Lab, 2005-06-01. [dostęp 2014-04-13].
  10. ↑ CERN’s LHCb experiment reports observation of exotic pentaquark particles. CERN, 2015-07-14. [dostęp 2015-07-14].
  11. ↑ Jonathan M.M. Hall, Light-quark contributions to the magnetic form factor of the Λ(1405), „Physical Review D”, 95 (5), 2017, DOI: 10.1103/PhysRevD.95.054510 [dostęp 2018-06-21].

Media użyte na tej stronie

Pentaquark-Feynman.svg
Autor: CERN on behalf of the LHCb collaboration,, Licencja: CC BY 4.0
Feynman diagram for Λb0→Pc+K- decay
Pentaquark-generic.svg
Autor: Headbomb, Licencja: CC BY-SA 4.0
A generic pentaquark.