Europos branduolinių tyrimų organizacija (CERN) paskelbė apie atrastą naują dalelę – du žaviuosius kvarkus turinčią kaskadą, arba Xi_cc barioną (angl. cascade double charm particle).
Didžiojo hadronų greitintuvo LHCb bandyme (angl. Large Hadron Collider beauty) atrasta dalelė priklauso barionų elementariųjų dalelių grupei. Prie gerai žinomų barionų priskiriami protonai ir neutronai – dalelės, sudarančios atomų branduolius.
Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto LHCb Vilniaus grupės fizikas dr. Adamas Benjaminas Morrisas teigia, kad šis LHCb atradimas įmena ketvirtį amžiaus trukusią mįslę apie šios dalelės egzistavimą ir savybes.
Kokia tai dalelė?
Barionai susideda iš dalelių, vadinamų kvarkais (iš kurių, pavyzdžiui, sudaryti ir protonai bei neutronai). „Egzistuoja trys teigiamai įkrauti kvarkai ir trys neigiamai įkrauti kvarkai. Juos skiria tik masė.
Lengviausi vadinami „viršutiniais“ (angl. up) ir „apatiniais“ (angl. down), kurie pasitaiko labai dažnai. Šis naujas „dvigubai žavusis barionas“ (angl. doubly charmed baryon) yra panašus į protoną, tačiau vietoj dviejų teigiamai įkrautų „viršutinių“ kvarkų jame yra sunkesni „žavieji“ (angl. charm) kvarkai.
Dėl to jis yra daugiau nei tris kartus sunkesnis už protoną“, – paaiškina VU fizikas dr. A. B. Morisas (Morrisas).
Jis pažymi, kad barionų su vienu žaviuoju kvarku susidarymas yra gana įprastas reiškinys. „Pastebėti jie dalelių eksperimentuose dar maždaug 1975-aisiais.
Barionai su dviem žaviaisiais kvarkais yra daug retesni. Pirmasis buvo rastas tik 2017 m. Naująją dalelę galima laikyti to pirmojo „seserimi“. Jos skiriasi tuo, kad viena turi viršutinį kvarką, o kita – apatinį“, – pasakoja VU fizikas.
Naujosios dalelės egzistavimas buvo numatytas dar prieš kelis dešimtmečius. Pasak LHCb Vilniaus mokslinės grupės fiziko, tokia dalelė buvo numanoma dar 1964 m., o jos konkrečių savybių prognozės siekia net 1975 m.
„Po to, kai Čikagos „Fermilab“ laboratorijoje atlikto bandymo autoriai 2002 m. straipsnyje pažymėjo, kad ją pastebėjo, vyko intensyvūs bandomieji tyrimai.
Tačiau kitų bandymų metu JAV, Japonijoje ir Europoje to nepavyko pakartoti. CERN LHCb bandyme ieškota šios dalelės nuo pat duomenų rinkimo pradžios. Neigiami rezultatai buvo paskelbti 2013, 2019 ir 2021 m. Kai 2017 m. buvo rasta jos „sesuo“, didelis masės skirtumas iškėlė dar daugiau klausimų“, – pasakoja dr. A. B. Morisas.
CERN mokslininkai jau žino, kad šios dalelės masė yra labai panaši į 2017 m. atrastos dalelės masę. „Žinome vieną iš galimų dalelių derinių, į kuriuos ji gali suirti.
Būtent tai ir tyrėme. Dar neturime tikslių jos gyvavimo trukmės matavimų – kiek vidutiniškai ji egzistuoja prieš suirdama. Manome, kad šios dalelės gyvavimo trukmė svyruoja nuo 15 iki 160 femtosekundžių (1 femtosekundė – tai 0,000 000 000 000 001, kvadrilijoninė sekundės dalis). Palyginimui, jos seserinė dalelė gyvuoja maždaug 300 femtosekundžių“, – priduria jis.
Dėl itin trumpo šios dalelės gyvavimo laiko ją sudėtinga aptikti. „Ji skyla labai arti susidūrimo vietos, tad nėra lengva ją atskirti nuo atsitiktinių kitų dalelių derinių. Ji yra ties LHCb detektoriaus skiriamosios gebos riba. Dėl to šią dalelę galime aptikti maždaug dešimt kartų rečiau nei jos seserį“, – aiškina fizikas.
Detektoriaus atnaujinimai padidina LHCb bandymų tikslumą
Teoriniai skaičiavimai, susiję su iš kvarkų sudarytomis dalelėmis, yra labai sudėtingi ir dažnai remiasi bandymų duomenimis.
Šios naujai atrastos ir panašių dalelių savybių matavimai yra svarbi tokių skaičiavimų dalis. „Labai įdomus atrastos dalelės trumpas gyvavimo laikas – panašu, kad tai trumpiausiai gyvuojantis iki šiol rastas „silpnai skylantis“ (angl. weakly-decaying) barionas.
O tai rodo, kad atnaujintas LHCb detektorius gali atlikti naujus matavimus, kurie nebuvo įmanomi su ankstesniuoju detektoriumi. Dėl 2018–2020 m. atlikto atnaujinimo šias daleles galime aptikti 10–20 kartų greičiau nei anksčiau“, – sako dr. A. B. Morisas.
Tam, kad toks atradimas taptų įmanomas, buvo būtini konkretūs LHCb detektoriaus modernizavimo darbai. CERN atliekami tikslūs dalelių gyvavimo trukmės matavimai ir tiriami įvairūs dalelių deriniai, į kuriuos konkrečios dalelės gali skilti.
Pasak LHCb bandymo fizikų, tai yra pirmoji nauja dalelė, atrasta naudojant modernizuotą LHCb detektorių. Naudojant naująjį detektorių, dalelė atpažinta vos per vienerius metus. Su senuoju detektoriumi to nepavyko padaryti net per dešimt metų.
„Pats detektorius buvo atnaujintas, kad užtikrintų tokią pačią duomenų kokybę esant penkis kartus didesniam susidūrimų dažniui.
Visų pirma, dėmesys skiriamas tam, kad būtų tiksliai nustatoma, kur įvyksta susidūrimai ir skilimai, taip pat identifikuojamos skirtingos dalelės. Dėl modernizuotos elektronikos ir kompiuterių, kurie duomenis nuskaito ir apdoroja daug greičiau bei veiksmingiau, tyrimų tikslumas papildomai padidėjo nuo dviejų iki keturių kartų“, – priduria CERN fizikas.
Mokslininkų matavimų tikslumas priklauso nuo to, kiek duomenų jie surenka. „Vieno susidūrimo duomenys savaime nėra labai naudingi, todėl CERN analizuojame tendencijas, pastebimas dėl daugybės užfiksuotų susidūrimų signalų.
Šiuo metu renkama daugiau duomenų, todėl artimiausiu metu galėsime atlikti tikslesnius matavimus ir išsiaiškinti neseniai atrastos dalelės gyvavimo trukmę. Taip pat ieškosime panašios dalelės, sudarytos iš dviejų žaviųjų kvarkų ir vieno keistojo (angl. strange) kvarko“, – planais dalijasi fizikas.
Dr. A. B. Morisas užsimena, kad rengiamas antrasis LHCb detektoriaus atnaujinimas, leisiantis surinkti dar daugiau duomenų. „Todėl galėsime rasti dar daugiau dalelių su keliais sunkiaisiais kvarkais ir atlikti tikslius jų savybių matavimus“, – apibendrina jis.
VU mokslininkai įsitraukę į naujųjų dalelių tyrimus
LHCb Vilniaus grupės vadovas dr. Mindaugas Šarpis sako, kad VU mokslininkai prisidės prie būsimo detektoriaus modernizavimo, todėl kitų stebėjimų ir atradimų kontekste bus jaučiamas didesnis Lietuvos indėlis.
„LHCb Vilniaus komandoje ne tik atliekame dalelių fizikos duomenų analizę, dirbame su LHCb duomenų srautu, modeliavimu, detektorių gerinimu.
Į bandymą, kuriame dirbame, yra įsitraukę 1200 fizikų ir 600 inžinierių iš daugiau nei 20 šalių. Tokie tyrimai įmanomi tik suvienijus pasaulinius gebėjimus ir naujoviškas technologijas.
Pavyzdžiui, prie šios naujosios dalelės atradimo tyrimų prisidėjo šimtai mokslininkų“, – pasakoja jis. LHCb komanda Vilniuje, naudodama sudėtingą metodiką ir naujausius LHCb surinktus duomenis, ieško dar egzotiškesnių barionų rūšių.
Dr. A. B. Morriso tyrimų sritis – duomenų analizė ir modeliavimas. Jis taip pat prisideda prie detektoriaus gerinimo bei projektavimo. Fizikas siekia glaudesnio bendradarbiavimo su VU kompiuterių mokslininkais, kurie jau dirba taikydami mašininio mokymosi metodus dalelių fizikos modeliavimui, kad LHCb simuliacijoms reikėtų mažiau skaičiavimo galios.
Dr. A. B. Morisas – ilgametis LHCb bandymo narys. 2017 m. jis apsigynė daktaro laipsnį Edinburgo universitete, dirbo universitetuose Prancūzijoje bei Vokietijoje, taip pat pačiame CERN. Nuo 2025 m. rudens dalelių fizikas prisijungė prie LHCb Vilniaus grupės.
2018 m. Lietuva tapo asocijuotąja CERN nare. 2025 m. Lietuvos aukštosios mokyklos, tarp jų ir VU, pasirašė memorandumą dėl CERN Ateities žiedinio greitintuvo (angl. Future Circular Collider, FCC) projekto galimybių studijos. Be to, Lietuva ir CERN stiprina strateginę partnerystę.
2024 m. LHCb kolaboracijos tarybos sprendimu VU buvo priimtas kaip naujas šio prestižinio eksperimento institutas. Šių metų rugsėjį Vilniuje vyks LHCb savaitė, vienas iš didžiausių šio CERN bandymo renginių, subursiantis daugiau nei 600 fizikų.
