Kula gluonowa – fizycy znaleźli cząstkę zbudowaną z samej siły

Przez niemal pół wieku fizycy poszukiwali jednego z najbardziej niezwykłych obiektów przewidywanych przez teorię cząstek elementarnych. Teraz zespół badaczy pracujący przy chińskim akceleratorze BES III przedstawił mocne dowody wskazujące na istnienie kuli gluonowej (glueball) – egzotycznego stanu materii, którego masa ma pochodzić przede wszystkim z energii pola silnego oddziaływania.

Obiektem, który zwrócił uwagę naukowców, jest cząstka X(2370). Jej właściwości są zgodne z przewidywaniami chromodynamiki kwantowej, czyli teorii opisującej zachowanie kwarków i gluonów.

Czym jest kula gluonowa?

Aby zrozumieć niezwykłość tego odkrycia, trzeba zejść do poziomu najmniejszych składników materii.

Protony i neutrony tworzą jądra atomowe, a same składają się z kwarków. Kwarki są związane ze sobą za pomocą gluonów – bezmasowych nośników oddziaływania silnego, które można w pewnym uproszczeniu określić mianem „kwantowego kleju” spajającego materię.

Gluony różnią się jednak od fotonów. Foton nie posiada ładunku elektrycznego i nie oddziałuje bezpośrednio z innymi fotonami w taki sposób, jak gluony oddziałują między sobą. Gluony posiadają bowiem tzw. ładunek kolorowy, dzięki któremu mogą wzajemnie na siebie oddziaływać.

Teoretycznie oznacza to możliwość powstawania układów złożonych wyłącznie z gluonów. Taki obiekt nazywany jest kulą gluonową albo glueballem.

Byłaby to niezwykle osobliwa cząstka. Zwykłe protony i neutrony zawierają kwarki związane przez gluony, natomiast kula gluonowa miałaby być układem, w którym nie ma kwarków tworzących jej zasadniczą strukturę.

Cząstka zbudowana z „czystej siły”

Jednym z najbardziej fascynujących aspektów kuli gluonowej jest jej masa.

Gluony same w sobie nie mają masy spoczynkowej, ale energia ich pola i energia oddziaływań mogą przyczyniać się do powstawania masy całego układu. W tym sensie kula gluonowa byłaby wyjątkowym przykładem obiektu, którego właściwości wynikają przede wszystkim z energii oddziaływania silnego.

Nie oznacza to jednak, że można powiedzieć, iż jest ona dosłownie „zbudowana z samej energii”. W fizyce cząstek takie określenie jest skrótem myślowym opisującym niezwykle specyficzną strukturę tego stanu materii.

Poszukiwania trwały pół wieku

Kule gluonowe przewidywano już w latach 70. XX wieku. Ich znalezienie okazało się jednak wyjątkowo trudne.

Problem polega na tym, że podczas zderzeń cząstek powstaje ogromna liczba innych obiektów. Ponadto kula gluonowa może mieszać się ze stanami zawierającymi kwarki. W rezultacie jej sygnał może być bardzo trudny do odróżnienia od innych cząstek produkowanych w akceleratorze.

Przełom nastąpił w Chinach.

Akcelerator BES III i miliardy zderzeń

Badania przeprowadzono w Instytucie Fizyki Wysokich Energii w Pekinie. Naukowcy wykorzystali akcelerator BEPCII, w którym zderzane są elektrony i pozytony.

W wyniku takich kolizji powstają między innymi mezony J/ψ. Ich rozpady są szczególnie interesujące dla fizyków poszukujących kul gluonowych, ponieważ w procesach tych uczestniczy duża liczba gluonów.

Zespół badawczy przeanalizował ponad 10 miliardów rozpadów mezonów J/ψ. Wśród ogromnej liczby zarejestrowanych zdarzeń poszukiwano charakterystycznego śladu odpowiadającego cząstce X(2370).

Co ciekawe, X(2370) nie jest zupełnie nowym obiektem. Pierwsze sygnały wskazujące na jej istnienie pojawiły się już w 2011 roku. Dopiero analiza znacznie większego zbioru danych pozwoliła dokładniej określić jej właściwości.

Dlaczego X(2370) jest tak ważna?

Badacze stwierdzili, że właściwości X(2370) są zgodne z tym, czego można oczekiwać od kuli gluonowej.

Szczególnie istotne są jej masa, spin oraz parzystość. Ważną wskazówką jest również sposób, w jaki obiekt wiąże się ze stanami zawierającymi różne rodzaje kwarków.

Według przedstawionej analizy X(2370) może być w około 90 procentach związana ze strukturą gluonową. Nie oznacza to, że fizycy obserwują idealnie „czystą” kulę gluonową – w świecie kwantowym stany mogą się ze sobą mieszać. Wynik jest jednak niezwykle istotnym argumentem na rzecz interpretacji X(2370) jako poszukiwanej kuli gluonowej.

Test jednej z najważniejszych teorii fizyki

Potencjalne odkrycie ma znaczenie znacznie większe niż znalezienie kolejnej egzotycznej cząstki.

Kule gluonowe są przewidywane przez chromodynamikę kwantową (QCD) – teorię opisującą oddziaływania silne.

To właśnie oddziaływanie silne odpowiada za utrzymywanie kwarków wewnątrz protonów i neutronów, a pośrednio umożliwia istnienie jąder atomowych.

Kula gluonowa stanowiłaby wyjątkowy przypadek, w którym można badać samo oddziaływanie silne w postaci związanej struktury gluonów. Jej dokładne właściwości mogą więc dostarczyć nowych informacji o tym, jak działa jedna z fundamentalnych sił natury.

Czy odkrycie jest już ostatecznie potwierdzone?

Tutaj potrzebna jest ostrożność.

Choć przedstawione wyniki są bardzo mocnym argumentem, naukowcy podkreślają znaczenie niezależnej weryfikacji.

Wyniki muszą zostać sprawdzone w innych eksperymentach, ponieważ niezwykle trudno jednoznacznie rozdzielić sygnał kuli gluonowej od innych możliwych stanów kwantowych.

Obecnie sytuację komplikuje fakt, że BES III jest wyjątkowo dobrze przystosowany do prowadzenia tego rodzaju badań. Potwierdzenie wyników w innym laboratorium może więc wymagać czasu.

Co oznacza to dla naszego rozumienia materii?

Jeżeli interpretacja X(2370) jako kuli gluonowej zostanie potwierdzona, fizycy otrzymają zupełnie nowy obiekt doświadczalnego badania.

Pozwoli to lepiej zrozumieć:

  • zachowanie gluonów,
  • naturę oddziaływania silnego,
  • sposób powstawania masy w układach związanych,
  • strukturę protonów i neutronów,
  • przewidywania chromodynamiki kwantowej.

Co więcej, odkrycie może pomóc rozwiązać niektóre problemy dotyczące zachowania materii w ekstremalnych warunkach.

Od teorii do eksperymentu

Historia kuli gluonowej pokazuje, jak niezwykła potrafi być droga od matematycznej teorii do eksperymentalnego odkrycia.

Przez dziesięciolecia fizycy wiedzieli, że równania pozwalają na istnienie obiektów zbudowanych głównie z gluonów. Problem polegał na znalezieniu ich w rzeczywistych danych.

Dziś X(2370) dostarcza jednego z najsilniejszych jak dotąd argumentów, że takie egzotyczne stany materii rzeczywiście mogą istnieć.

Podsumowanie

Kula gluonowa jest jednym z najbardziej niezwykłych przewidywań współczesnej fizyki cząstek. W przeciwieństwie do protonów czy neutronów nie miałaby być przede wszystkim układem kwarków, lecz związanym stanem gluonów – cząstek odpowiedzialnych za oddziaływanie silne.

Analiza ponad 10 miliardów rozpadów mezonów J/ψ przeprowadzona przez międzynarodowy zespół pracujący przy eksperymencie BES III dostarczyła mocnych dowodów wskazujących, że cząstka X(2370) może być poszukiwaną od dziesięcioleci kulą gluonową. Wynik wymaga jeszcze niezależnego potwierdzenia, ale już teraz stanowi ważny krok w badaniu najbardziej fundamentalnych składników materii.