V červenci tohoto roku japonští vědci oznámili objev částice složené z pěti kvarků. Pozorování tohoto zvláštního baryonu, jehož existenci větší část teoretických fyziků donedávna vyvracela, byl bleskově potvrzen i v laboratoři ve Spojených státech. Pentkvark rozbouřil fyzikální veřejnost, která jej označila za „exotický baryon“. Vynutí si tato částice opravu „svatého chrámu“ Standardního modelu elementárních částic a jejich interakcí? A o jak rozsáhlou opravu vlastně půjde?
Standardní model elementárních částic a jejich interakcí dělil dosud hadrony na baryony, tvořené třemi kvarky (např. proton a neutron), a mezony, které tvoří dva kvarky, přesněji řečeno pár kvarku a antikvarku (např. pion, kaon či částice rho a eta-c). Donedávna byla částice složená z pěti kvarků stavem, o němž by nikoho nenapadlo uvažovat. První, kdo existenci pentakvarku nesměle nadhodil, byla v roce 1995 skupina ruských fyziků Dmitrij Diakonov, Viktor Petrov a Maxim Poljakov z Ústavu pro jadernou fyziku v Petrohradu. V jejich článku se hovoří, že teoretické výpočty nevylučují možnost vzniku nesmírně hmotné částice složené z pěti kvarků, jejíž hmota bude značně převyšovat hmotu protonu. Snad žádný z renomovaných fyziků tento článek ovšem nebral vážně.
O to překvapivější bylo v červenci tohoto roku sdělení japonského fyzikálního ústavu SPring-8, že se podařilo tento pentakvark zachytit. Japonský tým, vedený Takashim Nakanem, toho docílil na zařízení LEPS (Laser Electron Photon Facility, viz http://www.rcnp.osaka-u.ac.jp/Divisions/np1-b/index.html). Zde byl laserový paprsek vysílán do proudu urychlených elektronů (s energií 8 GeV), cirkulujících na dráze synchrotronu. Díky odraženým fotonům vznikl paprsek silného gama záření, který byl nasměrován na terčík atomů uhlíku-12. Při vysokoenergetické srážce gama záření a neutronů jader uhlíku zaznamenaly detektory kromě uvolněných mezonů na zlomek okamžiku i „exotický baryon“ – částici tvořenou pěti kvarky. Tři kvarky v tomto „slepenci“ poskytuje neutron a dva uvolněný mezon. Životnost pentakvarku je v měřítku částicové fyziky poměrně velká. Podařilo se jí prodloužit na celou sekundu, než se pentakvark rozpadá na mezon a neutron.
Protože šlo o objev nemalého významu, vyvolal nemalý zájem. Skupina vedená Kenem Hicksem z Univerzity v Ohiu v laboratoři Thomase Jeffersona (http://www.jlab.org/Hall-B) oznámila, že při provádění podobných pokusů byla tato částice detekována i jejich přístroji. Američané totiž nedávno studovali obdobný postup, ale gama záření nasměrovali na terčík atomů deuteria. Vzniklý pentakvark dosahoval hmoty 1,5 GeV, což se shodovalo s japonskými výsledky. Detekovaný pentakvark je zřejmě první ze skupiny „exotických baryonů“. Ukázalo se, že vykazuje stejné složení a poměr kvarků, jak jej předpověděli petrohradští fyzici. Tvoří jej dva „u“ kvarky a dva „d“ kvarky (přičemž obě skupiny, „d“a „u“, jsou nejlehčí kvarky) a jeden antikvark s-. Podle zavedené klasifikace jej můžeme rozepsat jako uudds-. Hmotnost tohoto „exotického baryonu“ je asi o 60% vyšší než hmotnost protonu.
Zářijové číslo časopisu Physics Today v jednom ze svých hlavních článků informovalo i o dalších experimentech, při nichž došlo k vytvoření pentakvarku. Je nasnadě, že ve Standardním modelu elementárních částic se objeví nové rozdělení částic hmoty. K baryonům a mezonům přibudou pentakvarky. V čele jejich studia je dnes Ken Hicks, který nyní pracuje jak v japonské laboratoři SPring-8, tak v americké laboratoři Thomase Jeffersona. Pentakvark je exotický nejen svou vysokou hmotností, ale – jak bylo výše zmíněno – zejména tím, že na rozdíl od dosud známých baryonů má podivnost S = +1. Tuto podivnost způsobuje skutečnost, že jedním z jeho pěti kvarků je antikvark s s třetinovým nábojem. Obecnou charakteristiku pentakvarku zatím neznáme. Je na fyzicích, aby popsali nejen jeho vlastnosti a chování, ale i případné verze složení. Zda jej náhodou nemohou tvořit i další druhy kvarků a v jakých možných kombinacích.
Model vzniku pentakvarku
SPring-8 – největší světový synchrotron třetí generace
Více informací:
Observation of Exotic Baryon
http://plato.phy.ohiou.edu/~hicks/thplus.htm
Ohio University
http://www.ohiou.edu/infocus/pentaquark
SPring-8
http://www.spring8.or.jp/e/index.html
