Od objevu Higgsova bosonu v roce 2012 z největšího světového urychlovače LHC dlouho žádná nová částice nepřilétla. Změnilo se to až letos. I když samotný urychlovač prochází opravami a úpravami na vyšší výkon, odborníci se stále ještě probírají údaji, které sesbíral během provozu. Zatímco ty největší detektory se zabývají hlavně hledáním dalších stop po Higgsově bosonu, abychom opravdu mohli vyloučit, že jeho pozorování nebyla chyba, další přístroje měly jiné úkoly.
Detektor LHCb mimo jiné hledal stopy po "jednorožcích částicové fyziky", částicích zvané tetrakvarky. A zdá se, že uspěl. Alespoň tedy na serveru arXiv.org zveřejnili výsledky, které by snad měly dokládat, že spatřili stopy výskytu několika tisíc částic označovaných nevábnou zkratkou Z(4430)- (mínus na konci označuje záporný náboj částice).
Stejně jako v případě Higgsova bosonu jde o částici, kterou nedokážeme pozorovat přímo. Vědci sledují dozvuky srážek dvou velmi rychle proti sobě letících částic (v tomto případě dvou protonů). Částice se rozletí na drobný materiál, který zachytí detektory, a vědci se poté snaží dopočítat, co přesně se během srážky a bezprostředně po ní stalo. Nejméně ve čtyřech tisícovkách příkladů se vědcům na LHCb prý podařilo zachytit i stopy zmiňovaných Z(4430).
Čím víc kvarků, tím víc legrace
Na nové částice je nejzajímavější pro fyziky to, že by měla patřit mezi tzv. tetrakvarky. Tajemství přitažlivosti této skupiny lze s trochou znalostí vyčíst už z názvu. Tetra- je předpona odvozená z řečtiny a znamená "čtyři". Kvarky jsou pak malé elementární částice, ze kterých se skládají částice jako protony nebo neutrony, tedy částice patřící mezi tzv. baryony. (Striktně řečeno to není úplně takhle přímočaré, protože tetrakvarky mohou obsahovat kvarky i antikvarky, důležité je aby byly dohromady čtyři. Ale to není podstatné.)
Důležité je, že ty dohromady tvoří jen tři kvarky. Známe i částice složené jen jen z dvojice kvark-antikvark (mezony). A pak se samozřejmě nabízí otázka: když mohou být kvarky a antikvarky dohromady v částici po dvou či třech, tak proč ne čtyřech nebo pěti (to by byly tzv. pentakvarky)? Mohou takové "složeniny" existovat, jak případně vypadají a jaké můžou mít vlastnosti?
Eric Swanson z univerzity v Pittsburghu pro časopis NewScientist přiblížil problém biologickou analogií: "Není nijak dáno, že v přírodě se nemohou vyskytovat osminozí koně, ale nikdo je nikdy neviděl. Kdyby je někdo našel, řekli byste: Velmi zajímavé! A pak byste přemýšleli, jak je vysvětlit pomocí teorie evoluce."
Teoretičtí fyzici si odpovědí po existenci a podobě tetrakvarků nebyli jistí (a vlastně doteď nejsou). Teoreticky by to mělo být možné spočítat, ale z praktického hlediska je podobný výpočet neproveditelný, protože dotyčné výpočty jsou příliš složité. "Neodborníkovi to bohužel nelze vysvětlit jinak než konstatováním, že metody, které se používají pro výpočet hmotností částic složených z páru kvark-antikvark nebo třech kvarků jsou technicky daleko komplikovanější pro větší počet kvarků a antikvarků," vysvětluje jednoduše složitost tohoto problému kolem "mnohokvarků" fyzik Jiří Chýla z Fyzikálního ústavu Akademie věd.
Japonci vidí, Američané tápou
Odpověď na otázku, zda tetra- a více kvarky existují tak zůstala na experimentálních fyzicích na urychlovačích. Ti se ovšem dlouho nedokázali na jasné odpovědi dohodnout.
V roce 2008 ohlásili japonští vědci pracující na experimentu Belle, že snad zachytili stopy možného tetrakvarku na urychlovači KEKB (placený přístup k práci zde. Ale tým pracující na urychlovači v americkém Menlo Parku jejich výsledky nezopakoval. Jestli bylo náhodné první měření, nebo to druhé, to nebylo v tu chvíli jasné.
Tak mě přesvědčte. Herec Morgan Freeman v tunelu urychlovače LHC před loňským předáváním vědeckých cen Breakthrough Prize, které Freeman moderoval.
Tým na LHCb doufá, že v otázce udělal jasno. Hlavně proto, že oba předchozí experimenty jasně přebíjí rozsahem měření. Vědci na LHCb pracovali s desetkrát větším souborem měření než japonský i americký tým, a jejich výsledek by tedy měl být podstatně méně ovlivněn náhodou (je na úrovni 3,9 sigma místo běžně požadovaných 5 sigma pro objev nové částice) .LHCb díky tomu dokázal změřit i některé další vlastnosti částice (např. spin a parita je 1+). Existenci částice Z(4430)- lze tedy v tuto chvíli považovat minimálně za pravděpodobnou.
Ale na druhou stranu bychom o mnoho více asi také říkat neměli. "Máme tu varovný příklad pentakvarků z doby zhruba před deseti lety," říká Jiří Chýla. V první polovině první dekády 21. století dokonce hned několik týmů v Japonsku i USA našlo v údajích podivné anomálie, které měly ukazovat na objev nových částic. Údaje se zdály být tak přesvědčivé, že vědci dokonce už určovali jejich vlastnosti a dospěli k závěru, že se musí jít o pentakvarky, tedy "pětikvarky".
Následovala smršť teoretických prací, ve kterých se fyzici snažili určit především to, jak by kvarky mohly být v částicích poskládané a co to znamená pro naše porozumění subatomárním částicím jako takovým. Ale diskuse brzy odumřela, protože částice zmizely stejně rychle, jako se objevily. Nepřišlo se na žádný podvod či manipulaci s daty, výsledky se jen dalším týmům nedařilo opakovat. V druhé polovině desetiletí už byly pentakvarky považovány jen za přelud, který se objevil, na chvíli fyziky okouzli a při bližším pohledu zmizel.
A co to vlastně je?
Fyzici jsou tak vůči objevům nových částic z více kvarků velmi opatrní, a tak je velmi důležité, že novou částici zachytily dva různé experimenty. Po zkušenosti s pentakvarky to asi nebude stačit na jejich uznání, ale rozhodně je to důležitý první krok.
I pokud se existenci částice podaří doložit, stále ještě tu zůstává otázka, zda opravdu jde o tetrakvark. Kdybychom měli být technicky zcela korektní, tak určitě ne, protože jde vlastně o systém dvou kvarků a antikvarků. Z(4430) by měly tvořit následující kvarky: dolů, anti-nahoru, půvabný a anti-půvabný (kvarky opravu mají takové "vůně".)
Ale pokud tuto trochu pedantickou výtku pomineme, nevypadá to až tak špatně. Vědci říkají, že hmotnost ani další vlastnosti nově objevené částice neodpovídají ani běžným "trojkvarkům", ani náhodnému spojení dvou kvarků. Je tak velmi pravděpodobné, že jde o tetrakvark.
I pokud se tyto částice opravdu potvrdí, zůstanou doménou specialistů. Za běžných podmínek se tyto částice nevyskytují. Možná by se daly najít třeba v jádrech neutronových hvězd, kde je hmota tak hustá, že čajová lžička (cca 5 mililitrů materiálu) by vážila zhruba stejně jako jeden alpský kopec (jde o materiál z nitra hvězdy s předpokládanou hustotou kolem 1018 kg/m3). K čemu by taková hmota a její zkoumání mělo být v praktickém smyslu, to se zatím vůbec nezdá jasné. Ale taková otázka může počkat do chvíle, kdy budeme vědět, jestli a jak se čtyři kvarky dokáží dát dohromady.
