Pentakwark

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).

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

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 Θ_c(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 Λ_b 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 Λ_b. Cząstka P_c(4450)⁺ jest widoczna jako wyraźny wierzchołek w danych, a istnienie drugiej, P_c(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].