Ένα νέο κεφάλαιο στην εξερεύνηση των δομικών στοιχείων του σύμπαντος ανοίγει το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Σωματιδιακής Φυσικής (CERN). Οι επιστήμονες ανακοίνωσαν τον εντοπισμό ενός ολοκαίνουργιου σωματιδίου, επιβεβαιώνοντας για άλλη μια φορά την τεράστια επιστημονική αξία του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), του ισχυρότερου επιταχυντή στον κόσμο.

Το νεοανακαλυφθέν σωματίδιο βαφτίστηκε «Xi-cc-plus» και αποτελεί την 80ή επιτυχημένη ταυτοποίηση σωματιδίου στα χρονικά του LHC. Ο εντοπισμός του έγινε μέσω του εξειδικευμένου ανιχνευτή LHCb, που βρίσκεται στις υπόγειες εγκαταστάσεις κοντά στη Γενεύη, και αναμένεται να ρίξει άπλετο φως στους περίπλοκους και συχνά μυστηριώδεις νόμους της κβαντικής μηχανικής.

Ο «βαρύς» συγγενής του πρωτονίου: Η σύσταση του Xi-cc-plus

Για να κατανοήσουμε τη σημασία της ανακάλυψης, πρέπει να ρίξουμε μια ματιά στον μικρόκοσμο της ύλης. Η ορατή ύλη γύρω μας, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια στους πυρήνες των ατόμων, αποτελείται από βαρυόνια. Κάθε βαρυόνιο σχηματίζεται από μια τριάδα μικρότερων σωματιδίων, τα οποία ονομάζονται κουάρκ (quarks).

Στη φύση υπάρχουν έξι διαφορετικές «γεύσεις» (τύποι) κουάρκ: up, down, charm, strange, top και bottom.

• Ένα τυπικό πρωτόνιο αποτελείται από δύο ελαφριά κουάρκ τύπου up και ένα down.
• Αντίθετα, το νέο σωματίδιο Xi-cc-plus διαθέτει δύο κουάρκ τύπου charm και ένα down.

Επειδή ακριβώς τα charm κουάρκ είναι πολύ πιο βαριά, το Xi-cc-plus υπολογίζεται ότι έχει μάζα περίπου τέσσερις φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός απλού πρωτονίου.

Η πρόκληση της ανίχνευσης και η αναβάθμιση του LHCb

Η παρατήρηση τέτοιων σωματιδίων είναι ένα εξαιρετικά σπάνιο και δύσκολο εγχείρημα. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων προκαλεί συγκρούσεις σωματιδίων σε ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός, μέσα σε έναν τεράστιο υπόγειο δακτύλιο. Από τα θραύσματα αυτών των συγκρούσεων, οι φυσικοί αναλύουν τη διάσπαση της ύλης και «αναδομούν» τα αρχικά σωματίδια.

Όπως εξήγησε ο εκπρόσωπος του πειράματος LHCb, Βιντσένζο Βανιόνι, αυτή είναι μόλις η δεύτερη φορά στην ιστορία που παρατηρείται ένα βαρυόνιο το οποίο φέρει δύο τόσο βαριά κουάρκ. Παράλληλα, τόνισε πως «πρόκειται για το πρώτο νέο σωματίδιο που ταυτοποιήθηκε μετά τις κρίσιμες αναβαθμίσεις του ανιχνευτή LHCb, οι οποίες ολοκληρώθηκαν με επιτυχία το 2023».

Τι σημαίνει η ανακάλυψη για την Κβαντική Χρωμοδυναμική

Τα νέα δεδομένα από το CERN δεν αποτελούν απλώς μια προσθήκη στη λίστα των σωματιδίων. Προσφέρουν το ιδανικό πεδίο δοκιμών για την Κβαντική Χρωμοδυναμική (QCD), τη θεωρία που περιγράφει την «ισχυρή αλληλεπίδραση» – τη θεμελιώδη δύναμη που κρατά τα κουάρκ ενωμένα. Μελετώντας το Xi-cc-plus, οι επιστήμονες μπορούν να κατανοήσουν καλύτερα τόσο τα συμβατικά βαρυόνια, όσο και πιο εξωτικές μορφές ύλης, όπως τα τετρακουάρκ και τα πεντακουάρκ.

Αξίζει να σημειωθεί ότι το 2017 είχε εντοπιστεί ένα παρόμοιο σωματίδιο (με δύο charm και ένα up κουάρκ). Ωστόσο, το νέο Xi-cc-plus έχει διάρκεια ζωής έξι φορές μικρότερη, γεγονός που έκανε τον εντοπισμό του έναν πραγματικό τεχνολογικό και επιστημονικό άθλο.

Με το βλέμμα στο Μέλλον του Σύμπαντος

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), ο οποίος εκτείνεται σε έναν υπόγειο δακτύλιο 27 χιλιομέτρων κάτω από τα γαλλο-ελβετικά σύνορα, έχει ήδη γράψει ιστορία με την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012.

Καθώς τα μυστικά του υποατομικού κόσμου αποκαλύπτονται σταδιακά, το CERN δεν επαναπαύεται. Βρίσκεται ήδη σε φάση σχεδιασμού για την επόμενη μέρα, εξετάζοντας την κατασκευή ενός ακόμη πιο γιγαντιαίου επιταχυντή —του Μελλοντικού Κυκλικού Επιταχυντή (FCC)— προκειμένου να συνεχίσει να δίνει απαντήσεις στα βαθύτερα ερωτήματα για τη δημιουργία και τη σύσταση του σύμπαντος.