Brakujący element rodziny cząstek odnaleziony w CERN. Światowe odkrycie z udziałem naukowców Politechniki!
Zespół eksperymentu LHCb w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) po raz pierwszy wiarygodnie zaobserwował barion KSIcc⁺ (Ξcc⁺), zbudowany z dwóch ciężkich kwarków powabnych i jednego kwarka dolnego. Fizycy przewidywali jego istnienie od lat, ale wcześniejszy trop nie został potwierdzony. Nowy sygnał przekroczył siedem odchyleń standardowych. Odkrycia dokonał międzynarodowy zespół ponad 1000 naukowców, w tym z Politechniki Krakowskiej!
Large Hadron Collider beauty Fot. CERN
Naukowcy Politechniki Krakowskiej w eksperymencie LHCb w CERN
Eksperyment LHCb ("Large Hadron Collider beauty") jest jednym z czterech głównych detektorów umieszczonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), dedykowanych badaniom w różnych obszarach fizyki cząstek elementarnych. LHCb specjalizuje się w fizyce hadronów zawierających kwarki b (od "beauty") oraz c (od "charm"), stąd jego nazwa (z małym "b" w nazwie LHCb).
Politechnika Krakowska od 2021 r. jest członkiem LHCb jako tzw. Associate Member. W zespole eksperymentu LHCb w CERN pracują nasi naukowcy: dr hab. inż. Sebastian Kubis, prof. PK (team leader), dr Maciej Duras, dr inż. Józef Borsuk z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Fizyki PK oraz prof. Piotr Duda i dr inż. Łukasz Felkowski z Wydziału Mechanicznego PK.
Dwaj ostatni uczestniczą w opracowywaniu konstrukcji detektora eksperymentu LHCb. – To skomplikowane zadanie inżynierskie jak "upakować" panele detekcyjne wraz z zaawansowaną elektroniką i gąszczem światłowodów, wszystko musi być chłodzone i być "rozbieralne", by ewentualnie podlegać serwisowaniu na wypadek awarii – mówi Sebastian Kubis, fizyk teoretyczny, lider politechnicznego zespołu w LHCb. Sam, wraz ze współpracownikami z WIMiF, zajmuje się analizą danych. – Eksperyment dostarcza setki danych - stąd jest wiele grup, które interesują się wybranym zdarzeniem, np. produkcją jakiejś rzadkiej cząstki – wyjaśnia naukowiec PK.
Wszyscy badacze z PK są współautorami artykułu, opisującego wyniki najnowszego odkrycia, który ukazał się w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters”. Czego dotyczy?
Rodzina cząstek już w komplecie
Fizycy od lat mieli przed sobą rodzinę cząstek z wyraźnie pustym miejscem. W 2017 r. eksperyment LHCb pozwolił odkryć barion Ksicc⁺⁺ (Ξcc⁺⁺). Zgodnie z teorią powinien on mieć bliskiego partnera – cząstkę Ksicc⁺ o niemal takiej samej masie. Poszukiwania przynosiły jednak najwyżej słabe ślady. Teraz puste miejsce udało się wypełnić.
Bariony to cząstki zbudowane z trzech kwarków. Do tej grupy należą protony i neutrony, różniące się tylko jednym z trzech składników. Dwa występujące w nich rodzaje kwarków fizycy nazywają górnym i dolnym. Są to wyłącznie umowne nazwy, które nie opisują położenia ani kierunku ruchu. Proton zawiera dwa kwarki górne i jeden dolny, a neutron – jeden górny i dwa dolne. Podobna różnica występuje w parze badanej przez LHCb. Ksicc⁺⁺ składa się z dwóch kwarków powabnych i górnego, natomiast Ξcc⁺ – z dwóch powabnych i dolnego. „Powab” także jest tylko historyczną nazwą jednego z sześciu rodzajów kwarków. Kwark powabny jest znacznie cięższy od kwarków tworzących proton i neutron. Szybko się też rozpada. Cząstki zawierające dwa takie kwarki powstają rzadko i żyją niezwykle krótko. Ksicc⁺ prawdopodobnie znika znacznie szybciej niż w ciągu bilionowej części sekundy – zdecydowanie za szybko, by dotrzeć do detektora.
Poszukiwania przypominają więc odtwarzanie zdarzenia na podstawie pozostawionych fragmentów. Ksicc⁺ rozpada się na kilka innych cząstek, które rejestruje LHCb. W analizowanym przypadku ostatecznie powstawały proton, dwa kaony i dwa piony. Detektor mierzył ich tory i pędy, a naukowcy sprawdzali, które z nich mogły wcześniej tworzyć jeden cięższy obiekt. Jeżeli cząstki zostaną zgrupowane przypadkowo, obliczone masy zestawów są rozrzucone. Jeżeli wiele zestawów pochodzi z rozpadu tego samego barionu, na wykresie powstaje skupienie. Właśnie taki ślad pojawił się w danych zebranych w 2024 r. Pasował do cząstki o masie około 3620 MeV/c², niemal czterokrotnie większej od masy protonu. Analiza wskazała około 915 rozpadów Ksicc⁺.
Nie był to pierwszy trop. Eksperyment SELEX prowadzony w USA już w latach 2002–2005 informował o możliwym znalezieniu Ksicc⁺, ale wskazana wówczas masa była o około 101 MeV/c² mniejsza. Inne eksperymenty nie potwierdziły tego wyniku. Niewielki nadmiar zdarzeń pojawiał się też we wcześniejszych danych LHCb, lecz był zbyt słaby, aby mówić o odkryciu.
Dopiero dane zebrane po modernizacji detektora pozwoliły rozstrzygnąć zagadkę. Wiarygodność nowego sygnału przekroczyła siedem odchyleń standardowych. Oznacza to, że niezwykle trudno wyjaśnić go przypadkowym ułożeniem tła. Fizycy cząstek wymagają pięciu odchyleń standardowych, zanim uznają istnienie nowej cząstki za potwierdzone. Tym razem wynik wyraźnie przekroczył ten próg. Słabszy, ale zgodny ślad odnaleziono także w starszych danych z lat 2016–2018. Centralny wynik wskazuje, że Ksicc⁺ jest o około 1,8 MeV/c² lżejszy od swojego partnera Ksicc⁺⁺, czego spodziewali się teoretycy.
Dokładna różnica pozostaje jednak niepewna, ponieważ nie zmierzono jeszcze czasu życia nowej cząstki. Od niego zależy, jak daleko zdąży ona odlecieć przed rozpadem i które zdarzenia zauważy detektor. Rozwiązanie jednej zagadki od razu otworzyło więc następną.
Fot. Maximilien Brice, CERN
Z CERN do medycyny, Internetu i wielu innych praktycznych zastosowań
Odnalezienie Ksicc⁺ daje fizykom rzadką możliwość badania układu, w którym dwa ciężkie kwarki znajdują się obok jednego lekkiego. Porównując niemal bliźniacze bariony, można sprawdzać, jak zamiana jednego kwarka wpływa na masę i rozpad całej cząstki. To dokładny test teorii silnego oddziaływania, które łączy kwarki w protony, neutrony i inne bariony.
- Odkrycie uzupełnia obecną listę cząstek elementarnych o brakujący element. Jej skład przewiduje teoria cząstek elementarnych tzw. Model Standardowy, który tym samym dostaje kolejne potwierdzenie. Z drugiej strony w LHCb oczekujemy, że znajdziemy sygnały "nowej fizyki" czyli zdarzenia, które wykraczają poza Model Standardowy. Nasza grupa zajmuje się obecnie analizą rozpadu mezonu B_s^0, który zawiera kwark "b" (beauty) oraz "s" (dziwny). W poprzedniej analizie, opartej o starsze dane, pojawia się pewna rozbieżność z teorią, obecnie chcemy wykorzystać najnowsze dane zebrane w tzw. Run 3 czyli w latach 2022-25. Kto wie może coś znajdziemy? – wyjaśnia prof. PK Sebastian Kubis.
Odnalezienie Ksicc⁺ nie prowadzi bezpośrednio do nowej technologii, ale naukowiec z Politechniki Krakowskiej podkreśla, że choć fizyka cząstek elementarnych może się wydawać odległa od naszego codziennego życia, to w dłuższej perspektywie jej odkrycia znajdują praktyczne zastosowanie. – Wiele metod obrazowania medycznego wykorzystuje wiedzę z fizyki cząstek np. nie byłoby badania PET, gdyby ktoś nie odkrył pozytonu - antycząstki elektronu. Wvcześniej pojęcie antycząstki wydawało się fantazją teoretyków. Mamy terapie nowotworów z użyciem precyzyjnej wiązki protonów. W samym CERN prowadzi się "knowledge transfer" czyli rozwiązania związane z pracą zderzacza przenoszone są do przemysłu lub innych dziedzin nauki. Tak powstała sieć www w oparciu o język znaczników HTML, co zrewolucjonizowało internet czyniąc z niego narzędzie dla każdego. Gdy brakowało mocy obliczeniowej do przetwarzania ogromnych ilości danych, CERN zrealizował ideę globalnej sieci obliczeniowej tzw. GRID, który mógł wykorzystać "bezczynne" komputery w odległych ośrodkach – przypomina prof. Kubis.
Precyzyjne detektory promieniowania opracowane w CERN pracują w mikroskopii, dozymetrii promieniowania czy badaniach materiałów oraz urządzeniach medycznych. – Współpraca CERN z przemysłem medycznym doprowadziła do rozwoju kolorowej tomografii rentgenowskiej 3D. W CERN powstał też zaawansowany software do efektywnego przetwarzania dużych ilości danych – znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z BigData – przypomina fizyk PK. Z innych rozwiązań, wyrosłych z badań naukowych w CERN, warto wspomnieć o magnesach nadprzewodzących, ważnych dla energetyki lub fuzji termojądrowej czy o rozwijaniu technologii krogenicznych (magnesy zderzacza chłodzone są ciekłym helem).
Międzynarodowa współpraca w mega skali
Prowadzone w CERN badania są wyjątkowe nie tylko z perspektywy wkładu, który wnoszą do światowej nauki. Są też przykładem bezprecedensowej w swojej skali – interdyscyplinarnej i wielonarodowej – współpracy naukowej. – To rzeczywiście godne podziwu , jak w CERN odbywa się kooperacja badawcza tak wielu osób. W samym LHCb to około 1800 osób z różnych ośrodków naukowych z całego świata! Można by zażartować, że wszystko udaje się dzięki szwajcarskiemu duchowi dobrej organizacji... Ale kluczowa już tu bardziej otwartość na współpracę ze strony uczestników danego projektu, jak i utrzymanie dyscypliny w podjętych działaniach – podkreśla Sebastian Kubis.
Zdradza, jak wygląda w praktyce taka kooperacja. – Fizycy jeżdżą do CERN 1-2 razy w roku na robocze konferencje lub tzw. szychty czyli pracę przy zbieraniu danych. Trzeba pamiętać, że detektor pracuje 24 godziny na dobę, nieprzerwanie przez kilka miesięcy, co wymaga systemu zmianowego. Samą analizę już zebranych danych robimy w swoich ośrodkach, np. w Krakowie, wystarczy, że mamy zdalny dostęp do serwerów w CERN.
Specjaliści od konstrukcji i utrzymania w niezawodności infrastruktury zderzacza częściej mają możliwość podziwiania go w całej okazałości. – Teraz czeka ich okres intensywnej pracy. W czerwcu tego roku cały zderzacz został wyłączony i nasz eksperyment przestał zbierać dane. Przez najbliższe 3 lata będzie podlegał poważnej modernizacji. Po modernizacji ma zbierać kilkakrotnie więcej danych i to z większą dokładnością – mówi prof. Kubis.
Oprócz naukowców z Politechniki Krakowskiej w badaniach uczestniczyli także naukowcy związani z Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie, Instytutem Fizyki Jądrowej PAN i Narodowym Centrum Badań Jądrowych. Opisujący wyniki badań artykuł pt. "Observation of the Doubly Charmed Baryon Ξ+ 𝑐𝑐 with the LHCb Run 3 Detector" w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters” ma potężną grupę współautorów z 92 afiliacjami!
Źródło: Nauka w Polsce PAP i własne MAS
{fastsocialshare})



