Znajdź zawartość

Doktor Agnieszka Dziurda z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN stoi na czele międzynarodowego zespołu naukowego, który w CERN prowadzi badania nad oscylacjami cząstek pomiędzy światem materii i antymaterii. Co prawda materia i antymateria wydają się swoimi przeciwieństwami, jednak istnieją cząstki, które raz zachowują się jak należące do świata materii, a raz antymaterii. Grupa doktor Dziurdy zmierzyła właśnie ekstremalne tempo oscylacji takich cząstek. Naukowcy wzięli na warsztat mezony Bs0 i za pomocą detektora LHCb z niespotykaną dotychczas dokładnością zbadali ich oscylacje. Nie byli pierwszymi, którzy podjęli się tego zadania. Już w 2006 roku w amerykańskim Fermilab mierzono to zjawisko. Nam udało się teraz poprawić dokładność pierwotnego pomiaru aż o dwa rzędy wielkości, chwali się doktor Dziurda. Materia widzialna jest złożona głównie z kwarków górnych, dolnych, elektronów i neutrin elektronowych. Na przykład jądra atomów zbudowane są z protonów (składających się z 2 kwarków górnych i 1 kwarka dolnego) oraz neutronów (1 kwark górny i 2 kwarki dolne). Model Standardowy klasyfikuje kwark górny, dolny, elektron i neutrino elektronowe jako cząstki jednej generacji. Istnieją jeszcze dwie inne generacje, z cząstkami o podobnych właściwościach, ale coraz bardziej masywnych. Kwarki nie występują swobodnie. Łączą się z innymi kwarkami. A najprostsze takie połączenie tworzy mezon, złożony z par kwark-antykwark. Mezony mogą przenosić ładunek elektryczny, lecz nie muszą. Te pozbawione ładunku elektrycznego, określane jako neutralne, wykazują frapującą cechę: oscylują między postacią materialną a antymaterialną. My skupiliśmy się na analizie częstotliwości oscylacji neutralnych mezonów zawierających kwark piękny b z trzeciej generacji i kwark dziwny s z drugiej, oznaczonych jako Bs0, mówi doktor Dziurda. Mezony są niestabilne i rozpadają się w czasie pikosekund. Jedna pikosekunda to 0,000000000001. Jednak zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, produkty rozpadu neutralnych mezonów są różne, w zależności od tego, czy w momencie rozpadu znajdowały się w świecie materii czy antymaterii. Zatem dopiero po zarejestrowaniu i zidentyfikowaniu produktów rozpadu danego mezonu mogliśmy ustalić, czy rozpadł się on jako reprezentant świata materii, czy antymaterii. Połączenie tej wiedzy z informacją o naturze cząstki w momencie produkcji pozwoliło nam na pomiar częstotliwości oscylacji, stwierdza polska uczona. Zespół Dziurdy przeanalizował mezony Bs0 powstałe w latach 2015–2018 w Wielkim Zderzaczu Hadronów jako wynik zderzeń proton-proton o łącznej energii 13 TeV (teraelektronowoltów). Badania wykazały, że mezony te oscylują pomiędzy materią i antymaterią 3 tryliony razy na sekundę. To aż 300-krotnie szybciej niż oscylacje typowego cezowego zegara atomowego. Badania takie nie tylko potwierdzają przewidywania mechaniki kwantowej, ale pozwalają zawęzić też obszar poszukiwania nieznanych cząstek spoza Modelu Standardowego. « powrót do artykułu

W plazmie kwarkowo-gluonowej – stanie materii, jaki istniał przez ułamki sekundy po Wielkim Wybuchu – uzyskanej podczas zderzeń ciężkich jonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) zauważono tajemniczą cząstkę X złożoną z czterech kwarków. Sama cząstka nie jest niczym nowym – po raz pierwszy została zarejestrowana w 2003 roku w japońskim eksperymencie Belle – jednak pomimo upływu lat naukowcy wciąż nie rozumieją jej natury. I mimo jej zauważenia w LHC cząstka X wciąż stanowi zagadkę. Do jej rozwiązania ma nas przybliżyć kolejna kampania badawcza Wielkiego Zderzacza Hadronów. Cząstka X, znana wcześniej jako X(3872) od jej masy wynoszącej 3872 megaelektronowoltów (MeV), jest od lat badana w akceleratorach cząstek. Może być ona tetrakwarkiem – czyli cząstką złożoną z czterech ściśle powiązanych kwarków – lub też luźniej powiązanym „stanem molekularnym” złożonym z dwóch mezonów, w skład których wchodzą po dwa kwarki. A być może jest czymś jeszcze bardziej nietypowym. Badania cząstki X w plazmie kwarkowo-gluonowej mogą pomóc rozwiązać tę zagadkę, gdyż różne konfiguracje wewnętrznej struktury cząstek dają różne obrazy podczas ich rozpadu. Problem jednak w tym, że nawet w najpotężniejszych akceleratorach trudno jest nadać protonom czy neutronom na tyle dużą energię, by po zderzeniu powstała plazma kwarkowo-gluonowa. Można ją jednak uzyskać podczas zderzeń ciężkich jonów. Po ich kolizji tworzy się plazma, która istnieją przez pewien czas, następnie rozszerza się ona i zamienia w materię hadronową, która nadal się rozszerza. Mamy do czynienia z ognistą kulą, która istnieje dość długo w skali chromodynamiki kwantowej. Naukowcy mają więc czas, by ją badać. Jednak tutaj pojawia się inny problem. Co prawda ciężkie jony, dzięki ich masie, łatwiej jest przyspieszać do dużych energii, ale mają one złożoną strukturę wewnętrzną. Po zderzeniu pojawia się olbrzymia masa różnych sygnałów, z której trudno jest wyłowić sygnały pochodzące z rozpadu cząstki X. Naukowcy pracujący w CERN-ie stworzyli specjalny algorytm oparty na technice maszynowego uczenia się. Nauczyli go rozpoznawania sygnałów z rozpadu cząsteczki X i odróżniania go od podobnych rozpadów. Następnie za pomocą tak wytrenowanego algorytmu przeszukali dane z LHC z 2018 roku zawierające informacje o 13 miliardach zderzeń jąder ołowiu z jonami. Algorytm znalazł w nich sygnały około 100 rozpadów cząstki X. Uczeni mówią, że zdobyte dotychczas informacje nie są wystarczająco precyzyjne, by określić naturę cząstki. Jednak pod koniec bieżącego roku LHC rozpocznie kolejną kampanię badawczą i naukowcy mają nadzieję, że zbiorą dzięki niej wystarczająco dużo informacji, by w końcu rozwiązać zagadkę X. Więcej na temat zmagań z tajemnicą X można przeczytać na łamach Physical Review Letters. « powrót do artykułu