Valószínűtlen részecskére bukkantak, ami pusztán az erős kölcsönhatást képviselő részecskékből áll

Létezhet egy részecske, ami pusztán a kölcsönhatást közvetítő elemekből áll? A kérdésre régóta keresik a választ a kutatók, és a jelöltre a gluonlabda vagy eredeti nevén gluonium formájában találtak rá, nem először, de ez alkalommal nagyobb bizonyossággal, mint a korábbi kísérletek során. A gluonlabda, azaz angolul glueball (ragasztólabda) a BEPCII létesítményben zajló vizsgálatok alatt került elő még 2011-ben és több mint tíz évbe telt igazolni a személyazonosságát, vagyis azt, hogy a detektált részecske tulajdonságai egyeznek a teoretikus gluonlabda jósolt jellemzőivel.

A gluonok a részecskefizikai ismeretek alapvető összefoglalásának, a standard modellnek a részét képezik, ezek képviselik a kölcsönhatásokat (erőket) közvetítő részecskék egyik fajtáját. A standard modell az anyag felépítését, az építőelemek kölcsönhatásait és az ezt irányító erőket írja le, és, noha nem teljes, de jól igazolja az elmúlt évtizedekben történt felfedezések eredményeit, amelyek során sokszor a modell alapján megjósolt részecskéket sikerült felfedeznie a kutatóknak. A standard modell besorolása szerint az anyagi részecskéknek két alaptípusa létezik: a kvarkok és a leptonok. A kvarkoknak hat különböző íze (fajtája) van, a fel, le, bájos, furcsa, felső és alsó kvark, míg a leptonokat az elektron, müon és a tau, valamint párjaik, az elektron-neutrínó, müon-neutrínó és tau-neutrínó alkotják. Ezek összességét fermionoknak nevezzük és feles vagy félegész spinnel bírnak.

A bozonok ezzel ellentétben egész spinűek és más szerepet játszanak az anyagi világ felépítésében, mint a fermionok: ők közvetítik a kölcsönhatásokat a részecskék között.

A négy alapvető kölcsönhatás, a gyenge, az erős, az elektromágneses kölcsönhatás és a gravitáció közül a leggyengébbet, azaz a gravitációt a standard modell nem foglalja magában, így bozon sem tartozik hozzá, bár a fizikusok régóta keresik az úgynevezett gravitont, ami a gravitációs kölcsönhatást közvetítheti. A többi kölcsönhatásnak azonban megvan a saját közvetítő részecskéje: az elektromágneses erőt a fotonok, a gyengét a W-, és Z-bozonok, az erős kölcsönhatást a gluonok közvetítik. A 2012-ben detektált Higgs-bozon a Higgs-tér közvetítője, aminek közbenjárásával kapja a többi részecske a tömegét.

A gluonok nélkül tehát nem alakulhat ki az erős kölcsönhatás, ami a kvarkokra hat és nevéhez illően mintegy összeragasztja őket. A részecske nyugalmi helyzetben zéró tömegű, színtöltésből viszont nyolcat is hordoz a három alapszíntöltés (piros-kék-zöld) transzformációja révén. A színtöltés az erős kölcsönhatással foglalkozó kvantum-színdinamika elméletének része, de valójában nem konkrét színeket jelöl, hanem a kvarkok és gluonok bizonyos “matematikai tulajdonságait”, egy kvantumszámot.

“A gluonok maguk is rendelkeznek színnel, pontosabban színek és antiszínek 6 kombinációjával. Összesen 8 féle független gluon van. Mivel a gluonok maguk is az erős kölcsönhatás forrásai, így egymással is kölcsönhatásba lépnek.

Ennek eredményeképpen az elektromágneses kölcsönhatással ellentétben két kvark közötti erős kölcsönhatás nem csökken akkor, ha növekszik a két kvark távolsága. Fenomenológiai megfontolások segítségével erre vezethető vissza a kvarkbezárás.” – magyarázza a jelenséget Frajna Eszter, a CERN LHC (Nagy Hadronütköztető) ALICE-kísérletének tagja.

Mivel a gluonok egymáshoz is tudnak csatlakozni, kompozit részecskéket hozhatnak létre, amelyeket szintén a gluonok tartanak össze. Ezt a hipotetikus részecskét nevezték el a kutatók gluoniumnak, ami később gluonlabdává alakult. A gluonlabda eltérő színű gluonokból készül, de a színtöltése összességében semleges, és mivel a gluonok tömege alapvetően nulla, ezért az úgynevezett kvark-gluon húrmodell szerint a belőlük álló labda tömegét az őket összekötő húr hordozza, ez pedig a legkevésbé energikus gluonlabdák esetében 1 és 2 GeV energiát jelent – írja Kenzo Ishikawa, a Hokkaido Egyetem fizikusa tanulmányában.

A gluonlabdákról szóló elméletek tehát a részecskék több jellemzőjét is megjósolták már előre, de olyan jelöltjét találni a hipotetikus részecskéknek, ami jó eséllyel pályázott a valódi gluonium szerepére korábban csak egy alkalommal sikerült, mikor is 2014-ben detektálták a gluonlabdaszerű f0(1710) jelű elemet, amivel kapcsolatban azonban nem szereztek egyértelmű bizonyítékot, ami minden kétséget kizáróan bizonyította volna a gluonlabda mivoltát. A részecskék túl rövid életűek ahhoz, hogy meg lehessen őket figyelni, ezért a kutatók a bomlásuk eredményéből, a keletkező részecskékből következtetnek a megjelenésükre a kísérleti adatok elemzése során. Az f0(1710) esetében a kutatók úgy találták, hogy a jelek nagy valószínűséggel egy gluonlabdaszerű elem jelenlétét indikálják, de a kísérletek tovább folytatódtak a lehetséges jelöltek felfedezésére.

A BEPCII (Beijing Electron Positron Collider II) ütköztetőben végzett BESIII (Beijing Spectrometer Experiment) kísérletben most egy újabb, még erősebb jelöltre akadtak, ami az X(2370) jelet kapta és, bár a kutatók óvatosak a bejelentéssel kapcsolatban, de a tulajdonságai alapján feltételezik róla, hogy ezúttal valóban egy gluonlabda kerülhetett elő. A részecskét már 2011-ben felfedezték, de az elmúlt években az összegyűjtött hatalmas mennyiségű adatra támaszkodva még pontosabb méréseket végeztek a jelenséggel kapcsolatban és fontos jellemzőit tudták meghatározni, amelyek összecsengenek a standard modell által megjósolt tulajdonságokkal. A BESIII detektorral 10 millió J/ψ bomlást ellenőriztek a kutatók, ez ugyanis ideális terepe a gluonok detektálásának és az ezekből kialakuló gluoncsoportok feltűnésének. Az adatok segítségével vizsgálták a spinkvantumszámot és a paritáskvantumszámot is, valamint a részecske tömegét és más jellemzőit is.

“A kísérleti eredmények konzisztensek a legkönnyebb pszeudo skaláris gluonlabda tulajdonságaival, amit a standard modell megjósolt. Ez erős kísérleti bizonyítékot jelent a gluonlabdák létezésének alátámasztására.”

– mondta el a BESIII kísérletért felelős Kínai Tudományos Akadémia.

Az elemzések alapján az X(2370) zérus spinnel, vagyis momentummal és negatív paritással bír, az átlagos tömege pedig 2395 MeV/c2. A CERN leírása szerint ez az első eset, hogy egyértelműen azonosítottak egy gluonlabdát, ami több szempontból is jelentős felfedezésnek számít – részben azért, mert a BEPCII létesítmény és a BESIII kísérlet egyik elsődleges célja ezen hipotetikus részecskék felkutatása volt, másrészt, mert ez az eredmény is újfent bizonyította a standard modell helytálló voltát és előrejelzéseinek pontosságát.

(Fotó: University of Glasgow, d1sk/Getty Images)